Διερεύνηση της επίδρασης της αστικής μορφολογίας στην ενεργειακή συμπεριφορά του κτιριακού κελύφους με αξιολόγηση των γεωμετρικών παραμέτρων του αστικού οικοδομικού τετραγώνου

Abstract

The present thesis examines the way urban form affects energy consumption in the urban block scale. An urban block classification methodology is proposed and a number of typical models which group the basic characteristics of the urban block are proposed in order to examine the impact of geometry in energy consumption. The analysis regards the municipalities of the urban agglomeration of Thessaloniki. The methodology of classification of the urban block takes into account three basic variables, plot ratio, coverage ratio and number of floors, in order to perform a cluster analysis. According to the spatial distribution of the five clusters created, urban blocks are further divided in two basic categories (continuous and discontinuous development), according to building density and positioning. Sixteen typical building typologies are being proposed for the purposes of the analysis, following the examination of building regulations and of the built environment. These typical buildings constitute the basic element for the design of 47 typical urban blocks in order to simulate their energy performance related to heating and cooling loads. Eight different orientation alternative scenarios are being examined and two basic scenarios for the thermal insulation of the building shell representing the total lack of insulation case and the basic insulation case according to the energy performance regulation. In addition, two road width alternatives are examined. The results of the simulation and a series of variables describing the geometry of each typical urban block are being recorded in a database. It is concluded by the statistical data processing, that the geometry variables appear to be linearly correlated to the heating and cooling loads, which means that urban geometry is a decisive factor when it comes to energy consumption. The results include also conclusions on the small impact of orientation and road width and the very important contribution of the thermal insulation of the building shell on the energy performance of the urban block. Moreover, a series of measures for the improvement of the energy performance of the urban tissue are proposed according to the conclusions of the research related to compact development, optimal orientation and urban block plot size and plan proportions. A multi-linear regression model is created relating total thermal loads (heating and cooling) to five basic geometry variables. According to this model and the database created for the typical urban blocks, an assessment tool for the energy performance of the urban block is proposed. This tool can classify any urban block according to its geometry profile based on a three class scale. This assessment tool could be useful for setting priorities during the energy upgrade strategies in the urban scale, by defining the energy profile of the urban blocks and determining the most energy consuming areas.

Αντικείμενο της διατριβής αποτελεί η μελέτη της σχέσης ανάμεσα στην αστική μορφολογία και την ενεργειακή κατανάλωση στον κτιριακό τομέα, καθώς και ο καθορισμός και η ποσοτικοποίηση των παραμέτρων που επηρεάζουν αυτή τη σχέση. Η κλίμακα μελέτης αφορά στο αστικό οικοδομικό τετράγωνο και εξετάζει το πυκνοδομημένο τμήμα του αστικού ιστού του πολεοδομικού συγκροτήματος της Θεσσαλονίκης. Αναπτύχθηκε μία μεθοδολογία τυποποίησης του αστικού οικοδομικού τετραγώνου η οποία περιλαμβάνει την ομαδοποίηση των αστικών οικοδομικών τετραγώνων με τη μέθοδο της ανάλυσης κατά ομάδες, με βάση τρεις βασικές γεωμετρικές παραμέτρους, το συντελεστή κάλυψης, το συντελεστή δόμησης και τον αριθμό των ορόφων. Σχεδιάστηκαν 16 τυπικά κτίρια μέσα από τη θεώρηση τόσο της πολεοδομικής νομοθεσίας όσο και της δομημένης πραγματικότητας, τα οποία χρησιμοποιήθηκαν στο σχεδιασμό 47 τυπικών οικοδομικών τετραγώνων τα οποία ομαδοποιήθηκαν περαιτέρω με βάση τον τύπο της δόμησης σε συνεχή και ασυνεχή. Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων της ενεργειακής συμπεριφοράς αλλά και τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά των τυπικών οικοδομικών τετραγώνων καταγράφηκαν σε μία βάση δεδομένων. Εξετάστηκε η επίδραση οχτώ διαφορετικών προσανατολισμών στη διαμόρφωση της ενεργειακής συμπεριφοράς, καθώς και δύο σεναρίων για τη θερμομόνωση του κελύφους. Επίσης εξετάστηκαν δύο σενάρια για το πλάτος του δρόμου. Από τη στατιστική επεξεργασία των αποτελεσμάτων διαπιστώθηκε η συσχέτιση των γεωμετρικών παραμέτρων με τα απαιτούμενα φορτία για τη θέρμανση και την ψύξη γεγονός που οδηγεί στο συμπέρασμα ότι η αστική γεωμετρία αποτελεί καθοριστικό παράγοντα στη διαμόρφωση του ενεργειακού προφίλ του οικοδομικού τετράγωνου. Ταυτόχρονα διαπιστώθηκε η μικρή επίδραση του προσανατολισμού και η μικρή επίδραση της μεταβολής κατά 5 m του πλάτους του δρόμου στην ενεργειακή συμπεριφορά του αστικού οικοδομικού τετραγώνου, αλλά και η σημαντική συμβολή της θερμομόνωσης του κελύφους στη βελτίωση της ενεργειακής επίδοσης. Επίσης με βάση τα αποτελέσματα της μελέτης διατυπώθηκαν μία σειρά από προτάσεις βελτίωσης της ενεργειακής συμπεριφοράς του υπάρχοντος αστικού ιστού, αλλά και μελλοντικών επεκτάσεων. Διαμορφώθηκε ένα μαθηματικό μοντέλο αξιολόγησης της ενεργειακής συμπεριφοράς του αστικού οικοδομικού τετραγώνου με βάση πέντε γεωμετρικές μεταβλητές με τη μέθοδο της πολλαπλής παλινδρόμησης. Η βάση δεδομένων των τυπικών οικοδομικών τετραγώνων σε συνδυασμό με την εξίσωση παλινδρόμησης αποτέλεσε κεντρικό στοιχείο ενός εργαλείου αξιολόγησης που αναπτύχθηκε για εφαρμογή στην αστική κλίμακα. Στο πλαίσιο της αξιολόγησης της ενεργειακής συμπεριφοράς μέσω του συγκεκριμένου εργαλείου διαμορφώθηκε μία κλίμακα αξιολόγησης τριών βαθμίδων, η οποία καθορίστηκε με βάση τα συνολικά απαιτούμενα φορτία όπως αυτά υπολογίστηκαν για τα τυπικά οικοδομικά τετράγωνα. Το εργαλείο δίνει τη δυνατότητα ενεργειακής αξιολόγησης σε οικοδομικά τετράγωνα με βάση τα γεωμετρικά τους χαρακτηριστικά και μπορεί να συνεισφέρει στην ανάπτυξη προτεραιοτήτων και στρατηγικών για την αναβάθμιση του αστικού ιστού, δίνοντας μία γενική εικόνα του ενεργειακού προφίλ του αστικού οικοδομικού τετραγώνου, ώστε να καθοριστούν οι περιοχές με τα περισσότερο ενεργοβόρα κελύφη.