Θερμική άνεση
Θερμική άνεση είναι η ευεξία που νιώθουμε εντός του χώρου διαβίωσης ή εργασίας. Η θερμική άνεση περιγράφεται και καθορίζεται από τις ακόλουθες παραμέτρους (βλ. παράγραφο "Ελεγχόμενες παράμετροι θερμικής άνεσης"):
- Θερμοκρασία ξηρού βολβού εσωτερικού χώρου
- Θερμοκρασία ξηρού βολβού εξωτερικού χώρου
- Σχετική υγρασία εσωτερικού χώρου
- Θερμοκρασία υγρού βολβού εσωτερικού χώρου
- Θερμοκρασία σημείου δρόσου εσωτερικού χώρου
- Ειδική υγρασία αέρα εσωτερικού χώρου
- Ειδική ενθαλπία αέρα εσωτερικού χώρου
Η ρύθμιση της ευεξίας στα επιθυμητά επίπεδα για τον καθένα μας οδηγεί σε κόστος λειτουργίας, διότι απαιτούνται να λειτουργήσουν συστήματα θέρμανσης, ψύξης και κλιματισμού.
Κόστος θερμικής άνεσης
Όλες οι παραπάνω παράμετροι συν μία ακόμη, οι ανθρώπινες συνήθειες και εργασίες μέσα στο κτίριο, οδηγούν εδώ σε αυτή την παράγωγη παράμετρο. Το κόστος της θερμικής άνεσης προκύπτει από το γινόμενο 3 ποσοτήτων: τον συντελεστή θερμοπερατότητας U του κτιρίου, την συνολική επιφάνεια Α του κτιρίου μέσα από την οποία περνάει η θερμότητα και εναλλάσσεται με το περιβάλλον και την θερμοκρασιακή διαφορά μεταξύ εσωτερικών χώρων του κτιρίου και εξωτερικού περιβάλλοντος. Η επιφάνεια εναλλαγής και ο συντελεστής θερμοπερατότητας καθορίζονται στο ενεργειακό πιστοποιητικό του κτιρίου. Η θερμοκρασιακή διαφορά μετράται από ειδική συσκευή. Το συνολικό γινόμενο αποδίδει την θερμική ισχύ που χρησιμοποιήθηκε στιγμιαία για να παράγει την θερμική μας άνεση και διαφεύγει έξω από το κτίριο προς το περιβάλλον. Στην πραγματικότητα ένα kW αυτής της θερμικής άνεσης απαιτεί μετατροπή πάνω από ένα kW άλλων μορφών ενεργειακής ισχύος, πχ την χημική ισχύ του πετρελαίου ή την ηλεκτρική ισχύ. Ο λέβητας στο κτίριο εκ των πραγμάτων παρουσιάζει περίπου 10% απώλειες ισχύος προς το περιβάλλον που δεν συμμετέχουν στην θερμική μας άνεση. Εάν λάβουμε υπόψη και αυτές τις απώλειες, π.χ. όπως καθορίζονται στο ενεργειακό πιστοποιητικό, τότε γνωρίζουμε ωριαία ή ημερησίως ή μηνιαίως ή ετησίως πόση ενέργεια στείλαμε στο περιβάλλον για να επιτύχουμε την θερμική μας άνεση. Βεβαίως γνωρίζοντας πόσο κοστίζει μία kWh θερμικής άνεσης υπό μορφή πετρελαίου ή ηλεκτρικής ενέργειας έχουμε αυτομάτως έναν μετρητή που μας ενημερώνει πόσο κοστίζει στην τσέπη η θερμική μας άνεση. Τελικά από εμάς εξαρτάται εάν, γνωρίζοντας το κόστος θερμικής άνεσης, αξιολογήσουμε αν θα πρέπει να αλλάξουμε συνήθειες διαβίωσης ή εργασίας ακόμη και να βελτιώσουμε την θερμομόνωση του κτιρίου μας.
Ρύθμιση θερμικής άνεσης
Επειδή η θερμική άνεση παράγει κόστος λειτουργίας και μολύνει το περιβάλλον θερμικά και χημικά, ο εξοπλισμός που χρησιμοποιούμε για να ρυθμίσουμε την ευεξία μας θα πρέπει να λειτουργεί με τον βέλτιστο τρόπο ελαχιστοποιώντας το κόστος λειτουργίας και την επαγωγική μόλυνση επιτυγχάνοντας παράλληλα και την επιθυμητή ευεξία. Ο μόνος τρόπος είναι η αυτόματη λειτουργία των συστημάτων θέρμανσης μέσω ενός κεντρικού εγκέφαλου. Αυτό που γίνεται μέχρι σήμερα συνήθως είναι να ρυθμίζεται μόνο η ξηρά θερμοκρασία αφήνοντας ανεξέλεγκτη την υγρασία και την ποιότητα του αέρα (π.χ. διοξείδιο του άνθρακα κλπ). Μετρώντας και καταγράφοντας την θερμοκρασία και την υγρασία μπορούμε να προσδιορίσουμε τα όρια της ευεξίας μας και να ζητήσουμε από τον εγκέφαλο να λειτουργεί τα συστήματα θέρμανσης, ψύξης και κλιματισμού στα επιθυμητά όρια που θέσαμε. Για παράδειγμα χρησιμοποιώντας ηλεκτρικούς υγραντήρες και αφυγραντήρες του εμπορίου μπορούμε να εξαλείψουμε την υπερβολική ξηρότητα και υγρότητα του εσωτερικού αέρα. Οι εντολές λειτουργίας όλου του εξοπλισμού θα δίδονται από τον κεντρικό εγκέφαλο. Με τον ίδιο τρόπο μπορεί να ρυθμιστεί και η ποιότητα του αέρα, μετρώντας π.χ. το διοξείδιο του άνθρακα ο εγκέφαλος θα αποφασίζει με έναν ανεμιστήρα πόσο νωπό αέρα θα εισάγει μέσα στο κτίριο.
Μετάβαση στο έξυπνο σπίτι και στο έξυπνο κτίριο
Αυτή είναι μία λειτουργία από τις πολλές του έξυπνου σπιτιού του μέλλοντος, ένα μέλλον που ήδη βρίσκεται στην αγορά του κτιρίου και οι περισσότεροι δεν το έχουμε ακόμη συνειδητοποιήσει. Ενδεικτικά αναφέρουμε την ευρωπαϊκή απαίτηση όλα τα νέα κτίρια από το 2020 και μετά να καταναλώνουν σχεδόν μηδενική ενέργεια. Η συσκευή που προτείνουμε μπορεί να βοηθήσει στην μετατροπή των υφιστάμενων σπιτιών σε έξυπνα σπίτια, σε έξυπνα κτίρια. Τα προτεινόμενα βήματα έχουν ως εξής:
- Εγκαθιστούμε την συσκευή θερμοκρασίας+υγρασίας στο σπίτι - κτίριο (κεντρικός εγκέφαλος).
- Ενεργοποιούμε την ετήσια υποστήριξη καταγραφής και απεικόνισης ιστορικού μετρήσεων σε cloud server (βλ. παράγραφο "Αυτόματα διαγράμματα ελέγχου θερμικής άνεσης").
- Προσδιορίζουμε τα όρια ευεξίας στην θερμοκρασία και στην υγρασία του χώρου μας.
- Αξιολογούμε το λειτουργικό κόστος της ευεξίας μας και αποφασίζουμε αν μας συμφέρει η προσθήκη θερμομόνωσης ή η παραγωγή ΑΠΕ προς αντικατάσταση τορεύματος της ΔΕΗ ή άλλων αλλαγών που μας έχουν προτείνει οι ειδικοί επιθεωρητές.
- Εγκαθιστούμε την συνεργατική συσκευή που θα εξαναγκάζει τα εγκατεστημένα συστήματα θέρμανσης, ψύξης, κλιματισμού να ρυθμίζουν την θερμοκρασία και την υγρασία στα επιθυμητά όρια.
- Εάν έχουμε προβεί σε ανακαινίσεις οι 2 συνεργαζόμενες συσκευές θα μας ενημερώνουν για το νέο λειτουργικό κόστος θερμικής άνεσης και πόσο επεσε αυτό.
Ελεγχόμενες παράμετροι θερμικής άνεσης
1. Θερμοκρασία ξηρού βολβού εσωτερικού χώρου
Η θερμοκρασία ξηρού βολβού ή ξηρού θερμομέτρου είναι η παράμετρος που μετρούν τα κλασικά θερμόμετρα στήλης υδραργύρου ή άλλης ουσίας αλλά και τα σύγχρονα ψηφιακά θερμόμετρα μεταβαλλόμενης αντίστασης ή θερμόμετρα λέϊζερ. Η παράμετρος αυτή αποτελεί ένα μέτρο του πόσο επηρεάζεται θερμικά ο χώρος από τα συστήματα θέρμανσης - ψύξης που διαθέτουμε. Θερμοκρασίες που ανεβαίνουν αργά στο ιστορικό μπορεί να υποδεικνύουν κακή θερμομόνωση του σπιτιού ή κακή απόδοση του συστήματος θέρμανσης. Το προφίλ της στο ιστορικό παρουσιάζει επαναλαμβανόμενα σκαμπανεβάσματα που ακολουθούν την λειτουργία - παύση των συστημάτων θέρμανσης - ψύξης.
2. Θερμοκρασία ξηρού βολβού εξωτερικού χώρου
Όπως η θερμοκρασία ξηρού θερμομέτρου εσωτερικού χώρου έτσι και αυτή αποτελεί ένα μέτρο της θερμικής κατάστασης της ατμόσφαιρας που περιβάλλει εξωτερικά το κτίριο. Δεν μπορούμε να την επηρεάσουμε, απλά τα συστήματα θέρμανσης - ψύξης θα πρέπει να μπορούν να προσαρμόζονται σε αυτήν. Γενικά όσο πιο πολύ διαφέρει από αυτήν του εσωτερικού χώρου τόσο μεγαλύτερα είναι τα θερμικά φορτία που εναλλάσσονται μέσα από το κέλυφος του κτιρίου και τόσο μεγαλύτερο είναι το λειτουργικό κόστος για να επιτύχουμε την επιθυμητή θερμική άνεση. Το προφίλ της στο ιστορικό είναι πολύ ομαλό και επηρεάζεται από την κίνηση του ήλιου και τις τοπικές καιρικές συνθήκες.
3. Σχετική υγρασία εσωτερικού χώρου
Σχετική υγρασία είναι ο λόγος της ποσότητας των υδρατμών, που περιέχει ο αέρας, προς εκείνη την ποσότητα των υδρατμών που μπορεί να συμπεριλάβει (στην ίδια θερμοκρασία και πίεση) μέχρις ότου αυτός κορεσθεί. Η σχετική υγρασία εκφράζεται επί τοις %. Ο κεκορεσμένος αέρας έχει σχετική υγρασία 100%, ενώ ο τελείως ξηρός αέρας έχει υγρασία 0%. Όταν επικρατεί ομίχλη ο αέρας είναι συνήθως κεκορεσμένος. Ιδιαίτερης σημασίας είναι το γεγονός όταν η θερμοκρασία αέρα ελαττώνεται, η σχετική υγρασία του αυξάνει και αντίστροφα. Όταν η σχετική υγρασία είναι 100% τότε η ατμόσφαιρα είναι μη δυνάμενη να συγκρατήσει άλλους. Αντίθετα όταν είναι π.χ. 50% και η θερμοκρασία αέρος 20 °C για τον χειμώνα, και 26 °C για το Καλοκαίρι, τότε αισθανόμαστε ευχάριστα. Ο αέρας όταν βρίσκεται πολύ κοντά στο σημείο κορεσμού, προκαλεί στον άνθρωπο αίσθημα δυσφορίας και δυσχεραίνει την αναπνοή και την αποβολή του ύδατος από το δέρμα. Όταν αυτό συνδυάζεται και με υψηλή θερμοκρασία τότε εγκυμονείται κίνδυνος θερμοπληξίας. Αντίθετα σε μικρή "σχετική υγρασία" αυξάνεται η ποσότητα του ύδατος που αποβάλλεται, από το δέρμα και την αναπνοή, γεγονός που δεν έχει και ιδιαίτερη σημασία, από υγιεινής πλευράς, εκτός του ότι παρουσιάζει μερικό φαινόμενο της δίψας. Θερμός και ξηρός αέρας είναι περισσότερο ανεκτός όταν δεν είναι πολύ υγρός. Η περισσότερο ευχάριστη για τον ανθρώπινο οργανισμό υγρομετρική κατάσταση του αέρα είναι εκείνη που εμπεριέχει μέτρια ποσότητα υδρατμών όπου καμία παρενόχληση δεν παρατηρείται τόσο στον σφυγμό και την αναπνοή όσο και στον ύπνο (βλ. και ειδική υγρασία).
4. Θερμοκρασία υγρού βολβού εσωτερικού χώρου
Η θερμοκρασία υγρού βολβού είναι η θερμοκρασία του αέρα που θα είχε αυτός εάν ψύχονταν μέχρι τον κορεσμό του, δηλαδή μέχρι 100% σχετική υγρασία, με εξάτμιση νερού που υποβοηθείται από θερμότητα προερχόμενη από τον αέρα. Το θερμόμετρο υγρού βολβού δείχνει μία θερμοκρασία κοντά στην πραγματική θερμοδυναμική θερμοκρασία υγρού βολβού. Αυτή η θερμοδυναμική θερμοκρασία είναι η χαμηλότερη που μπορεί να επιτευχθεί με εξάτμιση νερού από τον αέρα με τις συγκεκριμένες ιδιότητές του (θερμοκρασία ξηρού βολβού και σχετική υγρασία). Η θερμοκρασία υγρού βολβού προσδιορίζεται γνωρίζοντας την ξηρά θερμοκρασία και την σχετική υγρασία του αέρα. Σε 100% σχετική υγρασία, η θερμοκρασία υγρού θερμομέτρου ισούται με την ξηρά θερμοκρασία. Οι ζωντανοί οργανισμοί επιβιώνουν μόνο σε συγκεκριμένη θερμοκρασιακή ζώνη. Όταν η θερμοκρασία περιβάλλοντος είναι υπερβολική, οι άνθρωποι και πολλά ζώα ψύχουν το σώμα τους κάτω από αυτή τη θερμοκρασία με ψυκτική εξάτμιση ιδρώτα ή άλλων υγρών (π.χ. με σάλιο οι σκύλοι). Αυτό βοηθά στην αποτροπή της δυναμικά θανάσιμης θερμοπληξίας. Η αποτελεσματικότητα της ψυκτικής εξάτμισης εξαρτάται από την υγρασία, την θερμοκρασία υγρού βολβού ή άλλες πιο περίπλοκες υπολογιστικά παραμέτρους όπως την σύνθετη θερμοκρασία υγρού βολβού που συμπεριλαμβάνει την ηλιακή ακτινοβολία, δίνουν χρήσιμες πληροφορίες βαθμού θερμοπληξίας και χρησιμοποιούνται από διάφορες υπηρεσίες για να εκδώσουν προειδοποιητικές οδηγίες. Θερμοκρασίες υγρού βολβού σταθερά πάνω από τους 35oC είναι πιθανόν θανάσιμες ακόμη και για τον υγιή πληθυσμό και απαιτούν σώμα γυμνό σε σκιά και δίπλα σε ανεμιστήρα. Σε αυτή την θερμοκρασία το σώμα μας παύει να διαχέει θερμότητα στο περιβάλλον και αρχίζει να θερμαίνεται από αυτό. Συνεπώς οι 35oC είναι η οριακή θερμοκρασία πάνω από την οποία το σώμα δεν μπορεί να ψυχθεί από μόνο του. Το 2013 μία μελέτη συμπέρανε ότι η θερμοπληξία μειώνει την εργασιακή ικανότητα κάτω από τα σενάρια των τρεχουσών εκπομπών. Το 2010 μία μελέτη συμπέρανε ότι στο χειρότερο σενάριο υπερθέρμανσης του πλανήτη, η οριακή θερμοκρασία υγρού βολβού για τους ανθρώπους μπορεί να ξεπερασθεί σε πολλά μέρη του πλανήτη στους μελλοντικούς αιώνες. Το 2015 μελέτη συμπέρανε ότι ορισμένα μέρη του πλανήτη μπορεί να καταστούν μη κατοικίσιμα. Ένα παράδειγμα του ορίου στο οποίο το ανθρώπινο σώμα δεν μπορεί να ψυχθεί από μόνο του και αρχίζει να υπερθερμαίνεται είναι αέρας με σχετική υγρασία 50% και ξηρά θερμοκρασία 46o. Υπό αυτές τις συνθήκες η θερμοκρασία υγρού βολβού γίνεται 35oC.
5. Θερμοκρασία σημείου δρόσου εσωτερικού χώρου
Σημείο δρόσου ή σημείο υγροποίησης ή σημείο κόρου ατμόσφαιρας χαρακτηρίζεται το σημείο εκείνο της θερμοκρασίας που όταν οι υδρατμοί ψυχθούν δημιουργούν το φαινόμενο της δρόσου, δηλαδή τις σταγόνες δρόσου. Στη θερμοκρασία αυτή εξυπακούεται πως ο αέρας είναι κορεσμένος και δεν μπορεί να συγκρατήσει άλλους υδρατμούς με αποτέλεσμα η σχετική υγρασία να είναι 100%. Σημειώνεται όμως ότι η θερμοκρασία κορεσμού της ατμόσφαιρας ή του "σημείου δρόσου" μπορεί να είναι οποιαδήποτε θερμοκρασία, πάνω από το 0°C. Η θερμοκρασία αυτή εξαρτάται και μόνο από την ποσότητα των υδρατμών που περιέχει 1 κυβικό μέτρο αέρος, συνεπώς εξαρτάται από την απόλυτη υγρασία (βλ. και ειδική υγρασία). Η θερμοκρασία του σημείου δρόσου αποτελεί σπουδαίο μετεωρολογικό στοιχείο για ένα τόπο και γι΄αυτό πάντοτε αναφέρεται στους μετεωρολογικούς χάρτες με τα σύμβολα D.P. από τα αρχικά του αγγλικού όρου Dew Point (=Δρόσου Σημείο).
6. Ειδική υγρασία αέρα εσωτερικού χώρου
Ειδική υγρασία ονομάζεται η μάζα των υδρατμών (σε γραμμάρια, gr) που περιέχεται σε 1 m3. Από τον ορισμό καταλαβαίνουμε ότι πρόκειται για την πυκνότητα του αέρα σε υδρατμούς. Η ικανότητα του αέρα να συγκρατεί μικρή ή μεγάλη ποσότητα υδρατμών είναι ανάλογη προς την θερμοκρασία του. Σε μία συγκεκριμένη θερμοκρασία η ποσότητα των υδρατμών που μπορεί να συγκρατήσει η ατμόσφαιρά έχει μια μέγιστη τιμή. Η υγρασία της ατμόσφαιρας έχει άμεση επίδραση στην αποβολή ύδατος από το ανθρώπινο σώμα που συντελείται αφενός μεν από την εξάτμιση δια των πνευμόνων και του δέρματος, εκ των οποίων και ρυθμίζεται η θερμοκρασία του σώματος, αφετέρου δια των ούρων και κοπράνων. Η ποσότητα αυτή του εξατμιζομένου ύδατος που αποβάλλεται υπό μορφή υδρατμών ημερησίως, από ένα ενήλικο άτομο, ανέρχεται κατά μέσον όρο στα 1.500 γραμ., εκ των οποίων τα 30 γραμ. αποβάλλονται από τους πνεύμονες κατά την εκπνοή, και το υπόλοιπο από το δέρμα. Μετά από σειρά φυσιολογικών ερευνών συμπεραίνεται ότι η ολική ποσότητα του εξατμιζόμενου ύδατος σε όμοια σταθερή θερμοκρασία εξαρτάται από την περιεκτικότητα του αέρα σε υδρατμούς, ενώ επί όμοιας υγρασίας εξαρτάται από την θερμοκρασία. Εκτός όμως των εξωτερικών αυτών συνθηκών επίδρασης σημαντική επίδραση φέρει και η κατάσταση του σώματος είτε από μυϊκή εργασία, είτε από την διατροφή είτε τέλος από την ενδυμασία. Σημειώνεται ακόμη ότι η αποβολή αυτή κατά τον Ρώμπνερ εξαρτάται και από την ποσότητα του εισπνεομένου αέρος που και αυτή ποικίλλει ανάλογα της κατάστασης του ανθρώπινου οργανισμού, αλλά και εκ των φυσικών φαινομένων. Για παράδειγμα ο άνεμος με θερμοκρασία 20-30 βαθμούς Κελσίου αφαιρεί από το δέρμα θερμαντικό εξ αγωγιμότητας δια του οποίου και περιστέλλεται η αποβολή του θερμαντικού. Αντίθετα η ατμοσφαιρική πίεση ελάχιστη επίδραση ασκεί στην αποβολή του ύδατος από τον οργανισμό (βλ. και σχετική υγρασία).
7. Ειδική ενθαλπία αέρα εσωτερικού χώρου
Η Ενθαλπία είναι θερμοδυναμικό μέγεθος που αντιπροσωπεύει το ολικό ποσό θερμότητας που περιέχει ένα θερμοδυναμικό σύστημα. Ειδικότερα αποτελεί το άθροισμα της εσωτερικής ενέργειας ενός σώματος και του γινομένου της εσωτερικής πίεσης επί του όγκου που καταλαμβάνει μια ουσία. Το γινόμενο εκφράζει την ενέργεια που απαιτείται για να εκτοπίσει το σώμα το περιβάλλον του και να καταλάβει τη θέση στην οποία βρίσκεται. Παλαιότερα αντί του όρου "ενθαλπία" χρησιμοποιούταν ο όρος "περιεχόμενη θερμότητα" (περιεχομένη θερμότης - Wärmeinhalt). Με τον ελληνικό όρο, διεθνή σήμερα, Ενθαλπία, που προέρχεται από το αρχαίο ελληνικό ρήμα ενθάλπω = ζεσταίνω, κρύβω μέσα μου, περιθάλπω, χαρακτηρίζεται στη Χημεία η ενέργεια που προσφέρεται κατά τη θέρμανση ουσιών και που εγκλωβίζεται στα μόριά τους ιδίως σ΄ εκείνα των υδρατμών τους. Συνέπεια αυτού είναι ότι τα μόρια αυτά έχουν μεγαλύτερο ενεργειακό περιεχόμενο από τα αρχικά μόρια. Έτσι στη γλώσσα της χημείας η ενθαλπία αποτελεί το θερμικό περιεχόμενο κάθε χημικού συστήματος η οποία και συμβολίζεται συνήθως με το γράμμα Η. Η ενέργεια αυτή οφείλεται στις δυνάμεις των χημικών δεσμών που συγκρατούν τα άτομα μέσα στο μόριο, αλλά και στη κίνηση των ατόμων, των ηλεκτρονίων καθώς και του ίδιου του μορίου. Έτσι η χημική αυτή ενέργεια παραμένει εγκλωβισμένη μέσα στο μόριο που μπορεί ν΄ αποδοθεί άλλοτε εύκολα π.χ. με σπινθήρα στη βενζίνη, και άλλοτε δύσκολα. Οι ενθαλπίες του αέρα και των υδρατμών εξαρτώνται από την ξηρά θερμοκρασία, ενώ η συνολική ενθαλπία του συστήματος αέρας+υγρασία καθορίζεται και από την ειδική υγρασία. Η ενθαλπία αποκτά αξία όταν συγκρίνεται μεταξύ διαφορετικών καταστάσεων (διαφορετικές συνθήκες θερμοκρασίας και υγρασίας). Παρατηρώντας το διάγραμμα του ιστορικού της ενθαλπίας βλέπουμε ότι το μοτίβο των μεταβολών της είναι παρόμοιο με τις μεταβολές της ξηράς θερμοκρασίας. Όταν η θερμοκρασία χώρου φτάσει στο ελάχιστο σημείο της εκκινεί ο λέβητας, ο οποίος σταματά όταν η θερμοκρασία ανέλθει στο μάξιμούμ της. Την ίδια συμπεριφορά επιδεικνύει και η ενθαλπία δείχνοντάς μας ότι η διαφορά μεταξύ των δύο τιμών της αντιπροσωπεύει την συσσώρευση θερμότητας μέσα στο κτίριο. Στην συνέχεια και όσο ο λέβητας είναι κλειστός η ενθαλπία αποδίδεται έξω στο περιβάλλον με αποτέλεσμα την πτώση της τιμής της αλλά και της θερμοκρασίας. Σε μακρόχρονη βάση οι μεταβολές της ενθαλπίας, επειδή είναι κυκλικές, εκμηδενίζονται και εξαφανίζονται από το θερμικό ισοζύγιο.
Αυτόματα διαγράμματα ελέγχου θερμικής άνεσης
