Οι βασικές αρχές του βιοκλιματικού σχεδιασμού 01

Ο βιοκλιματικός σχεδιασμός κτιρίων ή βιοκλιματική αρχιτεκτονική αναφέρεται στον σχεδιασμό κτιρίων και χώρων με βάση το τοπικό κλίμα, με σκοπό την εξασφάλιση συνθηκών θερμικής και οπτικής άνεσης με την ελάχιστη δυνατή κατανάλωση συμβατικής ενέργειας, ενώ παράλληλα αξιοποιεί άλλες πηγές ανανεώσιμης ενέργειας, αλλά και τα φυσικά φαινόμενα του κλίματος.

Ορισμός

Υπάρχουν στην ελληνική και όχι μόνο βιβλιογραφία και το διαδίκτυο διαθέσιμοι πάρα πολλοί ορισμοί για το τι είναι και τί εξυπηρετεί ο βιοκλιματικός σχεδιασμός. Η σημαντικότερη όμως παράμετρος είναι το σε τι αποσκοπεί και πού ωφελεί η εφαρμογή του.

Η συγκεκριμένη εξειδίκευση και επιστήμη είναι ιδιαίτερα σημαντική για 4 διαφορετικούς λόγους:

Ο άνθρωπος.
Η ορθή εφαρμογή του συντελεί στην βελτίωση της ποιότητας ζωής μέσω θερμικής και οπτικής άνεσης. Είναι αναφαίρετο δικαίωμα του κάθε χρήστη ενός δομημένου χώρου να αποζητά καλύτερες συνθήκες διαβίωσης.
Το περιβάλλον.

Σε κάποιο – δυστυχώς σημαντικό – τμήμα του πληθυσμού ιδίως των ανεπτυγμένων αλλά και των αναπτυσσόμενων χωρών φαίνεται γραφική η ενασχόληση με την αλλαγή του κλίματος και την επιδεινούμενη επιβάρυνση του πλανήτη. Ένα κέλυφος με χαμηλή ή μηδενική εκπομπή CO² και με όσο το δυνατόν χαμηλότερη ενσωματωμένη ενέργεια χρησιμοποιούμενων δομικών υλικών, συντελεί στο περιορισμένο οικολογικό αντίκτυπο της περιοχής του.

Η ενέργεια.
Οι φυσικοί πόροι μειώνονται και κάποια στιγμή θα εξαντληθούν. Εκτός αυτού, το κόστος χρήσης τους είναι διαρκώς αυξανόμενο. Η απεξάρτηση από το πετρέλαιο και το φυσικό αέριο σημαίνει οικονομία φυσικών πόρων & απεξάρτηση απο το χρηματιστήριο των καυσίμων.
Η οικονομία.
Ειδικά στην περίοδο που διανύουμε, το κόστος συντήρησης ενός κτιρίου αποτελεί μεγάλο και επίπονο τμήμα των εξόδων μιας οικογένειας, ενός επιχειρηματία η του ιδίου του κράτους εάν πρόκειται για κτίρια του δημοσίου τομέα. Ένα σημαντικά μειωμένο έως μηδενικό κόστος χρήσης ενός ακινήτου συνεπάγεται εξοικονόμηση χρημάτων.

Η βασική αρχή

Η βασική εξίσωση που απλοποιεί μεθοδολογικά το βιοκλιματικό σχεδιασμό είναι η εξής:

o + (c + e)^a + a^o= b.

o = occupant / χρήστης

c =climate / κλίμα

e =environment / περιβάλλον

a =architect / αρχιτέκτων

b =building / κτίριο

Ο σημαντικότερος παράγοντας του σχεδιασμού είναι ο ίδιος ο χρήστης με τις επιθυμίες του και τις ανάγκες του. Στη συνέχεια υπεισέρχονται οι τοπικές επικρατούσες κλιματολογικές συνθήκες και το υπάρχον περιβάλλον του μελλοντικού κτιρίου. Αυτούς τους δύο παράγοντες μελετά και ερμηνεύει ο μηχανικός του έργου προκειμένου να θέσει τους θεμελιώδεις άξονες της μελετητικής διαδικασίας. Η ερμηνεία των δεδομένων λόγω του φίλτρου επεξεργασίας του εκάστοτε μηχανικού, ενέχει σε ένα βαθμό υποκειμενικότητα. Η τρίτη παράμετρος, είναι ο ίδιος ο μελετητής που με τις αποφάσεις του θα διαμορφώσει το τελικό αποτέλεσμα που δεν είναι άλλο από το κτίριο. Η μοναδικότητα της διαδικασίας αυτής είναι το ότι ακόμα και αν τεθούν ακριβώς οι ίδιες παράμετροι στον ίδιο χρήστη και μελετητή, το τελικό αποτέλεσμα b δεν θα είναι ποτέ ακριβώς ίδιο (εικόνα_02).

Μεθοδολογία

Ανάλυση κλίματος

Οι κύριες παράμετροι της ανάλυσης του κλίματος στην περιοχή ενδιαφέροντος είναι:

Η διακύμανση της θερμοκρασίας. Το νέο κέλυφος πρέπει να προβλεφθεί να μπορεί να αντιμετωπίσει πιθανές ακραία χαμηλές η υψηλές θερμοκρασίες κατά τη διάρκεια του έτους ή σε εξαιρετικές περιπτώσεις ακόμα και κατά τη διάρκεια της ίδιας ημέρας όπως για παράδειγμα σε περιβάλλον ερήμου. Κατά τη διάρκεια της ημέρας η γη όπως και ο αέρας που την περιβάλλει θερμαίνεται από την προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία ενώ κατά τη διάρκεια της νύχτας η επανεκπομπή της ακτινοβολίας στο διάστημα συντελεί στη μείωση της. Ο στόχος όσον αφορά τη θερμοκρασιακή διακύμανση είναι να επιτευχθούν στο εσωτερικό συνθήκες θερμικής άνεσης που κυμαίνονται μεταξύ 20 -26 C^O σε συνθήκες ξηρού βολβού.
Η σχετική υγρασία του αέρα η οποία σε σημαντικό βαθμό επηρεάζει της αίσθηση θερμικής άνεσης. Οι χαμηλές τιμές σχετικής υγρασίας διευκολύνουν τις ανταλλαγές θερμότητας του ανθρώπινου σώματος, ενώ οι υψηλές τιμές τις δυσχεραίνουν. Σε κλίματα με υψηλές μέσες τιμές σχετικής υγρασίας, πρέπει να δοθεί ιδιαίτερη μέριμνα στον απρόσκοπτο φυσικό αερισμό.
Η ποσότητα και η κλίση της ηλιακής ακτινοβολίας, Αναλόγως του γεωγραφικού πλάτους ενός τόπου διαφοροποιείται η πορεία αλλά και η ένταση της ακτινοβολίας διαμέσου των εποχών του έτους. Η γωνίες ύψους και αζιμούθιου του ήλιου θα συνεκτιμηθούν σε διάφορα στάδια του σχεδιασμού, από την ογκοπλασία του κελύφους, μέχρι το μέγεθος και το σχήμα των εξωτερικών σκιάσεων. Η ορθή μελέτη της πορείας του ήλιου, θα συντελέσουν στον αποτελεσματικό σκιασμό τη θερινή και αντίστοιχα τον παθητικό ηλιασμό τη χειμερινή περίοδο.
Οι διευθύνσεις και εντάσεις των επικρατούντων ανέμων αποτελούν σημαντική παράμετρο καθότι επηρεάζουν τους χρήστες αλλά και το κτίριο. Η ταχύτητα λόγω φυσικής μεταφοράς θερμότητας από το ανθρώπινο σώμα είναι περίπου 0,1 m/sec. Χαμηλότερες τιμές δίνουν την αίσθηση στασιμότητας και η αποβαλλόμενη θερμότητα απομακρύνεται δυσκολότερα, ενώ τιμές υψηλότερες από 0,2 m/sec δίνουν την αίσθηση ψυχρού ρεύματος. Η μελέτη και κατανόηση των κατευθύνσεων του ανέμου συντελεί στον αποτελεσματικό φυσικό αερισμό και την πιθανή προστασία του κελύφους ή την ανάπτυξή του προς αυτούς.
Η ποσότητα της βροχόπτωσης είναι παράγοντας που πρέπει να συνεκτιμηθεί στον τύπο των υγρομονώσεων των εξωτερικών επιφανειών, την πιθανή συλλογή ομβρίων υδάτων αλλά τον τύπο των φυτεύσεων.

Κλιματολογικά δεδομένα για πολλές περιοχές της χώρας και επιμέρους περιοχές των μεγάλων αστικών κέντρων μπορούν να βρεθούν από το διαδίκτυο. Επίσης υπάρχουν υπολογιστικά προγράμματα που παρέχουν τη δυνατότητα της συνοπτικής επισκόπησης όλων των κλιματολογικών δεδομένων για μια μεγάλη επιλογή πόλεων και τόπων (εικόνα_03). Είναι αναγκαίο όλες οι κλιματολογικές παράμετροι να συνεκτιμηθούν και να ερμηνευθούν με σύνεση προκειμένου το κτίριο να προστατευθεί ή να ωφεληθεί από αυτές.

Ανάλυση περιβάλλοντος

Σε τοπικό επίπεδο τα γενικά κλιματολογικά δεδομένα της ευρύτερης περιοχής μπορούν να επηρεαστούν από τη διαμόρφωση του εδάφους, το είδος και τη φύση των επιφανειών περιμετρικά του οικοπέδου όπως και τη βλάστηση της περιοχής. Με προσεκτική καταγραφή των δεδομένων της περιοχής που θα βρίσκεται το νέο κέλυφος ο μελετητής εντάσσει τις πληροφορίες του μικροκλίματος του νέου κτιρίου, στο σχεδιασμό του.

Η ύπαρξη φυσικών πτυχώσεων και εμποδίων του εδάφους μπορεί να τροποποιήσει σημαντικά τις τοπικές θερμοκρασιακές διακυμάνσεις και της σχετικής υγρασίας λόγω της κίνησης των ανέμων.

Αναλυτικότερα, αν το οικόπεδο βρίσκεται σε παραθαλάσσια περιοχή επηρεάζεται από τη διαφορά ταχύτητας απορρόφησης της ηλιακής ακτινοβολίας μεταξύ υγρών και στερεών επιφανειών με συνέπεια το φαινόμενο της θαλάσσιας και απόγειας αύρας. Έτσι η ημερήσια θερμοκρασιακή διακύμανση είναι ηπιότερη σε σχέση με ορεινά περιβάλλοντα αλλά υπάρχουν οι τοπικοί πνέοντες άνεμοι που θα πρέπει να ληφθούν υπόψιν στην κατασκευή. Η ύπαρξη μορφολογίας κοιλάδας αντιστοίχως προκαλεί κίνηση αέριων μαζών από και προς αυτής κατά τη διάρκεια της μέρας και της νύκτας αντίστοιχα (εικόνα_04).

Η βλάστηση αποτελεί επίσης σημαντικότατο στοιχείο μεταβολής του μικροκλίματος μιας περιοχής καθότι μπορεί να απορροφήσει μέχρι και το 90% της ηλιακής ακτινοβολίας, να μειώσει τη θερμοκρασία του αέρα μέχρι και 5 C^O κατά τη διάρκεια της ημέρας ενώ να σταθεροποιήσει η να αυξήσει τη νυχτερινή θερμοκρασία και να μειώσει σημαντικά την ταχύτητα του αέρα. Το είδος των φυτών (υψίκορμα δέντρα ή χαμηλή θάμνοι), αειθαλή η φυλλοβόλα με πυκνό η αραιό φύλλωμα και συνεχής η αραιή κάλυψη στο χώρο συντελούν στην επιρροή των προαναφερθέντων στοιχείων όπως επίσης και στην διαδικασία της εξατμισοδιαπνοής. Πριν την εκκίνηση της διαδικασίας σχεδιασμού πρέπει να συνεκτιμηθεί η υπάρχουσα χλωρίδα, το όφελος σκίασης που παρέχει και εάν είναι εφικτό να διατηρηθεί στο σύνολό της προκειμένου η νέα κατασκευή να έχει όσο το δυνατόν μικρότερο οικολογικό αντίκτυπο στην περιοχή της. Η λογική σκέψη είναι ότι δυστυχώς αντικαθιστούμε τη φύση με μια τεχνητή κατασκευή δημιουργώντας εξ ορισμού μια μορφολογική αλλά και λειτουργική αλλοίωση, ως εκ τούτου οφείλουμε να την επηρεάσουμε όσο πιο ήπια γίνεται.

Αντίστοιχα η παρουσία σε ένα πυκνό αστικό περιβάλλον μπορεί να συντελέσει σε ορισμένες περιπτώσεις στις πολύ περιορισμένες δυνατότητες ηλιασμού, αερισμού αλλά και χωροθέτησης στο οικόπεδο. Στις πόλεις λόγω της αυξημένης θερμοχωρητικότητας των δομικών στοιχείων, της μεγάλης απουσίας πρασίνου, της αυξημένης θέρμανσης των κτιρίων και κίνησης των οχημάτων σε συνδυασμό με τη δημιουργία ενός στρώματος από αέριους ρύπους στα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας, δημιουργείται το φαινόμενο της θερμής αστικής νησίδας (εικόνα_05). Επιπρόσθετα, η ύπαρξη συνεχών επίπεδων δομημένων επιφανειών σε συνδυασμό με ψηλά κτίρια, κάνει τη ροή και κατεύθυνση του αέρα απρόβλεπτη.

Ογκοπλασία – χωροθέτηση

Το σχήμα, ο προσανατολισμός και η χωροθέτηση του κτιρίου στο οικόπεδο, διαδραματίζουν σημαντικότατο ρόλο στην ποσότητα ηλιακής ακτινοβολίας που αυτό θα λαμβάνει όπως και την πρόσβαση του ή όχι στους επικρατούντες ανέμους. Μια βασική αρχή είναι ότι όσο μεγαλύτερος είναι ο λόγος του όγκου του κτιρίου προς το σύνολο των εξωτερικών επιφανειών του, επομένως όσο πιο συμπαγές είναι στη μορφή του, τόσο λιγότερες ανεπιθύμητες θερμικές απώλειες και κέρδη θα έχει. Αυτό βέβαια πρέπει να μην καταστρατηγεί την αρχιτεκτονική επίλυση, αλλά οφείλει να συνυπολογίζεται. Στο κλίμα της νότιας Ευρώπης, το ιδανικό σχήμα είναι προσανατολισμένο κατά τον άξονα ανατολής-δύσης με μεγαλύτερο ανάπτυγμα στη νότια όψη και όσο μικρότερο γίνεται σε ανατολή και δύση. Η μέγιστη απόκλιση του άξονα καλό είναι να μην υπερβαίνει τις 30^ο προς την ανατολή η τη δύση.

Σύμφωνα με μελέτη που έκανε στη δεκαετία του 1960 ο Victor Olgyay, στα θερμά κλίματα, ανεξαρτήτως αν είναι ξηρά η υγρά η ιδανική αναλογία πλευρών ανατολικής/δυτικής όψης προς νότια/βόρεια είναι από 1:1 έως 1:1,6 με ιδανική την 1: 1,3. Η νότια όψη δέχεται το μεγαλύτερο ποσοστό ηλιακής ακτινοβολίας κατά το χειμώνα, ενώ το δώμα ή στέγη πρωτίστως και δευτερευόντως η ανατολική και δυτική όψη, κατά το καλοκαίρι (εικόνα_06).

Στις περισσότερες περιπτώσεις, οι διατάξεις του γενικού οικοδομικού κανονισμού περιορίζουν την ευελιξία χωροθέτησης στο οικόπεδο, η ακόμα την καθιστούν μονόδρομο. Εάν όμως υπάρχει δυνατότητα ευελιξίας λόγω μεγάλου οικοπέδου η χαμηλού συντελεστή κάλυψης και δόμησης, είναι επιθυμητό να τοποθετηθεί ο κτιριακός όγκος σε σημείο που να έχει όσο το δυνατόν μεγαλύτερη ετήσια ηλιακή πρόσβαση. Αντιστοίχως εάν το κλίμα χαρακτηρίζεται από έντονους χειμώνες με δριμείς επικρατούντες ανέμους, πρέπει να προτιμηθεί μια θέση όπου η μορφή του περιβάλλοντος χώρου, φυσικού και τεχνητού να βοηθά στην προφύλαξη του κτιριακού όγκου. Αντιθέτως σε ένα θερμό κλίμα, όπου είναι επιθυμητός ο βέλτιστος φυσικός αερισμός κατά το μεγαλύτερο τμήμα του έτους, είναι προτιμότερο να χωροθετηθεί στρατηγικά το κτίριο σε σημείο που να βρίσκεται διαθέσιμο στην πορεία του ανέμου.

Στο ενδεχόμενο διαθέσιμου νότιου, νοτιοανατολικού και νοτιοδυτικού προσανατολισμού με κτίριο απέναντι από το υπο μελέτη, με γραφικό υπολογισμό του χαμηλότερου ύψους του ήλιου την 21^η Δεκεμβρίου ή υπολογιστική εξομοίωση μέσω προγράμματος, είναι εφικτό να υπολογιστεί εάν ο η όψη που μας ενδιαφέρει, σκιάζεται από τα όμορα κτίσματα και αν ναι, σε ποιο ποσοστό. Το ίδιο ισχύει και στο ενδεχόμενο ανάπτυξης περισσότερων του ενός κτίρια εντός του οικοπέδου μας.

Επιπρόσθετα, η διάταξη ενός κτιρίου καθ ύψος είναι προτιμότερη από ένα των ίδιων τετραγωνικών αλλά με διάταξη κατά το οριζόντιο. Με τον τρόπο αυτό, του αναλογεί μικρότερη επιφάνεια δώματος ή στέγης που είναι ευαίσθητη στα θερμικά κέρδη κατά τους θερινούς μήνες και τις απώλειες κατά τους χειμερινούς. Συνεπακόλουθα, δημιουργείται πιθανά μεγαλύτερο ανάπτυγμα νότια όψης που είναι ευκολότερα διαχειρίσιμη σε σχέση με μια οριζόντια επιφάνεια.

Επιθυμητή είναι και η δημιουργία αρχιτεκτονικών στοιχείων, όπου ο ίδιος ο κτιριακός όγκος παρέχει σκιά σε άλλα τμήματα της κατασκευής. Αυτού του είδους η αντιμετώπιση συναντάται συχνά στην παραδοσιακή αρχιτεκτονική με την μορφή εσωτερικών αυλών και δρόμων, προεξοχών και σαχνισιών (εικόνα_07). Το ίδιο στοιχείο μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε σύγχρονες κατασκευές, προσέχοντας όμως την υπέρμετρη εφαρμογή του, καθότι μπορεί να δημιουργήσει ένα κέλυφος με χαμηλό λόγο όγκου προς το σύνολο των εξωτερικών επιφανειών (εικόνα_08).

Στην περίπτωση που τμήμα της κατασκευής μπορεί να χωροθετηθεί ενταγμένο στο εδαφικό ανάγλυφο με τρόπο που αφενός να παρέχεται φυσικός φωτισμός και αερισμός, αφετέρου τα πλάγια όριά του να είναι σε επαφή με το έδαφος, τότε εκμεταλλευόμαστε το πλεονέκτημα της αυξημένης θερμικής αδράνειας του κελύφους. Ως συνέπεια, οι θερμικές απώλειες και τα κέρδη μειώνονται σημαντικά, ενώ η εσωτερική θερμοκρασιακή διακύμανση γίνεται πιο ήπια.

Λειτουργικότητα

Το επόμενο βήμα στη διαδικασία του σχεδιασμού είναι η λειτουργική χωροθέτηση στην κάτοψη. Σε κάθε θέμα δίνεται ένα συγκεκριμένο κτιριολογικό πρόγραμμα που πρέπει να τηρηθεί. Άλλοτε υπάρχει σχετική ευελιξία επιλογών όπως για παράδειγμα σε μια κατοικία, άλλοτε όπως σε ένα σχολείο, νοσοκομείο, ή χώρο λατρείας, η λειτουργική και εργονομική συνάφεια μεταξύ διαφορετικών ζωνών είναι αυτή που καθορίζει σε μεγάλο βαθμό τη μεταξύ τους χωροθέτηση. Παρόλα αυτά, ανεξαρτήτως της κτιριακής κατηγορίας, υπάρχουν ορισμένες αρχές μπορούν να τηρηθούν.

Οι κύριοι χώροι διημέρευσης που θα χρησιμοποιούνται κατά κόρον κατά τη διάρκεια της ημέρας πρέπει να τοποθετηθούν στο νότο. Στις κατοικίες πρόκειται για τα σαλόνια, τις τραπεζαρίες και τα υπνοδωμάτια. Στα σχολεία πρόκειται για τις αίθουσες διδασκαλίας και στα κτίρια γραφείων οι κυρίως χώροι εργασίας, με την προϋπόθεση και για τις δύο περιπτώσεις του επαρκούς εξωτερικού σκιασμού και ελέγχου των συνθηκών οπτικής άνεσης. Αντίθετα οι χώροι οριζόντιας και κατακόρυφης κυκλοφορίας, όπως διάδρομοι και κλιμακοστάσια, οι υγροί χώροι όπως κουζίνες, λουτρά και οι αποθηκευτικοί – βοηθητικοί χώροι πρέπει να διατάσσονται στο βορρά. Ο λόγος για αυτό το διαχωρισμό είναι η δυνατότητα θερμικής ευελιξίας, άνεσης και παθητικού ηλιασμού που παρέχει ο νότος και που προέχει να προσφέρεται κατά προτεραιότητα σε χώρους μεγαλύτερης διάρκειας χρήσης και εμβαδού.

Η δυτική πλευρά πρέπει να αποφεύγεται σχεδόν για οποιοδήποτε χώρο κύριας χρήσεως. Η χαμηλή γωνία πρόσπτωσης της ηλιακής ακτινοβολίας το απόγευμα όπως και η θερμική επιβάρυνση που έχει υποστεί μέχρι εκείνη την ώρα το κτίριο την καθιστούν δυσλειτουργική για πολλές κατηγορίες λειτουργιών (εικόνα_09).

Στον παραπάνω κανόνα υπάρχουν πολλές εξαιρέσεις, όπως για παράδειγμα, οι αίθουσες διδασκαλίας και οι χώροι εργασίας, εάν δεν διαταχθούν στο νότο, τότε σαν δεύτερη επιλογή είναι ο βορράς που παρέχει σταθερό φωτισμό κατά τη διάρκεια της ημέρας. Επίσης επιθυμητός είναι ο ανατολικός, νότιο-ανατολικός προσανατολισμός για τα υπνοδωμάτια (εικόνα_10).

Εξίσου σημαντική παράμετρος είναι η χωροθέτηση των υπαίθριων και ημιυπαίθριων χώρων σε σχέση με την εσωτερική οργάνωση. Εξωτερικοί χώροι που έχουν κατ επιλογήν ελεγχόμενη ηλιακή πρόσβαση είναι πιο ευχάριστοι σε σχέση με χώρους που βρίσκονται μονίμως στη σκιά και συνεπακόλουθα, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για μεγαλύτερο διάστημα του έτους. Έτσι κατά προτεραιότητα για το μεσογειακό κλίμα της Ελλάδας, πλέον επιθυμητός είναι ο νότος με απόκλιση 30^ο προς την ανατολή ή τη δύση, μετά έρχεται ο ανατολικός, στη συνέχεια ο δυτικός και τελευταίος ο βόρειος. Στη διάταξη των ημιυπαίθριων και υπαίθριων χώρων πρέπει να δίνεται ο ίδιος βαθμός σημασίας όσο και για το εσωτερικό του κτιρίου.