Έρευνα
Θεσμικό πλαίσιο
Στα πλαίσια εφαρμογής της Κοινοτικής Οδηγίας 91/2002/ΕΚ για την «Ενεργειακή Απόδοση Κτιρίων» η χώρα μας θέσπισε τον ν.3661/2008 (ΦΕΚ Α’ 89) «Μέτρα για τη μείωση της Ενεργειακής Κατανάλωσης των Κτιρίων και άλλες διατάξεις» καθώς και τον σχετικό «Κανονισμό Ενεργειακής Απόδοσης κτιρίων» (Κ.Εν.Α.Κ.) με την Υ.Α. Δ6/Β/οικ. 5825 (ΦΕΚ 407 Δ’ 10). Με τις διατάξεις αυτές (καθώς και τις μετέπειτα τροποποιήσεις των), μεταξύ άλλων, καθορίζονται οι ελάχιστες τεχνικές προδιαγραφές και απαιτήσεις ενεργειακής απόδοσης των νέων και ριζικά ανακαινιζόμενων κτιρίων καθώς και η μεθοδολογία υπολογισμού της ενεργειακής απόδοσης των κτιρίων (ημι-σταθερής κατάστασης μηνιαίου βήματος του ευρωπαϊκού προτύπου ΕΛΟΤ ΕΝ ISO 13790 και των λοιπών σχετικών προτύπων).
Σύμφωνα με τον Κ.Εν.Α.Κ.ορίζονται κατηγορίες ενεργειακών ορίων, από το Α έως το Η βάσει της ενεργειακής κατανάλωσης ενός κτιρίου, για θέρμανση, ψύξη, ζεστό νερό χρήσης και φωτισμό, εκφρασμένης σε kWh/(m2*έτος). Κατά τη σύνταξη μιας σχετικής μελέτης ενεργειακής απόδοσης (Μ.Ε.Α.) ο μελετητής μηχανικός επιλέγει μιας σειρά παραμέτρων όπως τοείδος και τα τεχνικά χαρακτηριστικά της θερμομόνωσης του κελύφους, ο ακριβής προσανατολισμός του κτιρίου (σε περίπτωση νέας κατασκευής), oτύπος και το υλικό των κουφωμάτων, το σύστημα θέρμανσης, το σύστημα ψύξης κ.ο.κ. και τοποθετεί τις αντίστοιχες τιμές των εν λόγω παραμέτρων χειροκίνητα στην υπολογιστική μηχανή που έχει εκδώσει το Τ.Ε.Ε. κατ’ εξουσιοδότηση του αρμόδιου υπουργείου, ΤΕΕ-ΚΕΝΑΚ, ώστε να κατατάξει σε κάποια κατηγορία το υπό μελέτη κτίριο.
Λειτουργία του ΤΕΕ ΚΕΝΑΚ
Γενικά, για κάθε συνδυασμό παραμετρικών δεδομένων το λογισμικό εξάγει ένα αποτέλεσμα ενεργειακής κατάταξης (σχήμα 1).
Οι συνδυασμοί των δεδομένων όμως για ένα υπό μελέτη κτίριο μπορεί να είναι δεκάδες χιλιάδες, με το ίδιο ακριβώς, ή παρόμοιο, αποτέλεσμα ενεργειακής κατάταξης αυτού (με περιορισμό την κατ’ ελάχιστο κατάταξη στην κατηγορία Β για τα νέα ή ριζικά ανακαινιζόμενα κτίρια) αλλά με αρκετά διαφορετικό κόστος κατασκευής, όπως επίσης και διαφορετική συνεισφορά στην αειφορία των κατασκευών.
Ειδικότερα, το λογισμικό ΤΕΕ-ΚΕΝΑΚ εκτελεί προσομοιώσεις με βάση τις παραμέτρους σχεδίασης (δεδομένα) ενός υφιστάμενου ή νέου κτιρίου που εισάγει ο μελετητής μηχανικός όπως το είδος της θερμομόνωσης, τα τεχνικά χαρακτηριστικά της μόνωσης και των υπόλοιπων οικοδομικών υλικών από τα οποία είναι κατασκευασμένο καθώς επίσης και άλλων σημαντικών παραμέτρων σχεδιασμού του κτιρίου, όπως τα συστήματα θέρμανσης και ψύξης, ο προσανατολισμός το μέγεθος των ανοιγμάτων κ.α.. Το αποτέλεσμα της εκτέλεσης του λογισμικού χρησιμοποιώντας μια σειρά συγκεκριμένων παραμέτρων (casestudy) είναι η ενεργειακή κατάταξη (εικόνα 1) καθώς και η εξαγωγή περαιτέρω πληροφοριών όπως το κόστος λειτουργίας του κτιρίου· εξαγώγιμων πληροφοριών εξίσου σημαντικών για την αποτελεσματική, αποδοτική και ταυτοχρόνως ρεαλιστική σχεδίαση ενός νέου ή την ριζική ανακαίνιση ενός υφιστάμενου κτιρίου τόσο προς όφελος του μηχανικού όσο και του πελάτηαλλά με οδηγό και προτεραιότητα την φιλική προς το περιβάλλον συμπεριφορά του κτιρίου. Το ΤΕΕ ΚΕΝΑΚ, ως λογισμικό ενεργειακής κατάταξης δεν υπολογίζει μια σημαντική παράμετρο σχεδίασης που είναι το κόστος υλοποίησης ή εγκατάστασης ή κατασκευής της λύσης που ορίζει το σύνολο των παραμέτρων σχεδίασης. Αυτό είναι ένα από τα απαραίτητα αντικείμενα που πραγματεύεται και ρυθμίζει αυτή η μελέτη όπως περιγράφεται κατωτέρω, προκειμένου να υλοποιηθούν όλοι οι στόχοι της. Όλες αυτές οι παράμετροι απόδοσης ανταγωνίζονται η μια την άλλη και ως εκ τούτου είναι δύσκολο, ή τουλάχιστον δεν είναι απλή υπόθεση, να εντοπιστούν οι σωστές τιμές των προδιαγραφών (όπως ορίζονται από το είδος και την ποσότητα των υλικών) που θα εισαχθούν στο λογισμικό αξιολόγησης (ΤΕΕ-ΚΕΝΑΚ) ώστε να επιτευχθεί ταυτοχρόνως βελτίωση και στους τρεις στόχους (σχήμα 2).
Αυτό αποτελεί ένα κλασσικό πρόβλημα βελτιστοποίησης πολλαπλών αντικειμενικών συναρτήσεων με μικτό τύπο δεδομέvων εισαγωγής (real and integer numbers) και υπό συνθήκες περιορισμών. Δεδομένου ότι είναι μια επαναληπτική διαδικασία δοκιμών, η οποία όταν εκτελείται από έναν άνθρωπο τείνει να είναι επίπονη και κουραστική χωρίς να υπόσχεται ότι θα επιτευχθεί το βέλτιστο δυνατό αποτέλεσμα χωρίς σφάλμα. Οι αλγόριθμοι βελτιστοποίησης εκτελούν ευφυείς μηχανισμούς οι οποίοι μπορούν να εντοπίσουν, με αυτόματο τρόπο, τον κατάλληλο συνδυασμό τιμών για τις «σχεδιαστικές παραμέτρους» ώστε να επιτευχθούν οι βέλτιστες δυνατές τιμές των ζητούμενων εξαγώγιμων πληροφοριών μέσω «αντικειμενικών συναρτήσεων»σε πολύ λιγότερο χρόνο. Στην περίπτωση πολλαπλών ανταγωνιστικών μεταξύ τους ζητούμενων αντικειμενικών στόχων, όπως των τριών στην προκειμένη περίπτωση, το αποτέλεσμα της διαδικασίας βελτιστοποίησης θα είναι μια «επιφάνεια ανταγωνισμού» η οποία ονομάζεται Pareto front (εικόνα 2). Δηλαδή δεν είναι πλέον δυνατό να βελτιώσουμε μια από τις αντικειμενικές συναρτήσεις χωρίς την «υποβάθμιση» των υπολοίπων συναρτήσεων.
Ειδικότερα, το αποτέλεσμα δύναται να εκφράζει ένα φάσμα βέλτιστων λύσεων για όλες τις αντικειμενικές συναρτήσεις που έχουν τεθεί κατά τη διατύπωση του προβλήματος (δηλαδή το κόστος κεφαλαίου κατασκευής έναντι του λειτουργικού κόστους έναντι της ενεργειακής κατάταξης). Αυτή τη μεθοδολογία για τη Λήψη Αποφάσεων μπορεί πλέον να χρησιμοποιήσει ο μελετητής μηχανικός εφόσον έχει εισάγει κατά τον σχεδιασμό πρόσθετα κριτήρια όπως ενδεχομένως κάποιοι επιπλέον κανονισμοί της περιοχής όπου θα αναπτυχθεί το κτίριο ή μια συγκεκριμένη επιθυμία του ιδιοκτήτη που θα του επιτρέψουν να επιλέξει τη λύση μεταξύ ενός φάσματος βέλτιστων λύσεων (Paretofront) που έχει ήδη εξάγει το λογισμικό μέσω του υπολογιστικού εργαλείου. Αν και δεν ήταν ένας από τους πρωταρχικούς στόχους αυτής της μελέτης το γεγονός ότι ο μηχανικός έχει πλέον την δυνατότητα ικανοποίησης προσωπικών επιθυμιών του πελάτη, ενώ ταυτόχρονα η μελέτη του να πληροί όλα τα περιβαλλοντολογικά κριτήρια, σίγουρα αποτελεί ένα καλοδεχούμενο επιπλέον προτέρημα του εγχειρήματος.
Τεχνική περιγραφή του συστήματος σχεδιασμού:
Υπάρχουν 4 διακριτά στάδια στη διαδικασία αυτοματοποιημένης βελτιστοποίησης τα οποία σχεδιαστήκαν και υλοποιήθηκαν κατάλληλα και τα 4 αντίστοιχα στάδια κατάλληλης επεξεργασίας πληροφοριών (σχήμα 3).
Συγκεκριμένα:
- Παραμετροποίηση:
Κατά το στάδιο αυτό, λαμβάνονται οι τιμές των παραμετρικών δεδομένων και δημιουργείται το ηλεκτρονικό Αρχείο Δεδομένων το οποίο απαιτείται από το λογισμικό ΤΕΕ-ΚΕΝΑΚ (εικόνα 3).
(Τα γράμματα αντιστοιχούν σε πίνακα και οι αριθμοί σε γραμμή δεδομένων)
Οι παράμετροι αυτοί ονομάζονται «σχεδιαστικές παράμετροι» και αποτελούν συνιστώσες του σχεδιασμού ο οποίος είναι ένα σύνολο αριθμητικών δεδομένων (πραγματικών αριθμών, ακέραιων ή μικτών). Συγκεκριμένα τα δεδομένα σ’ αυτό το πρώτο στάδιο ανάπτυξης της παραμετροποίησης περιορίζονται σ’ αυτούς που συνθέτουν κατασκευαστικά το εξωτερικό κέλυφος του κτιρίου. Για τις ανάγκες της μελέτης το υπό εξέταση δομικό στοιχείο έχει αναλυθεί σε 7 στρώσεις (layers). Κάθε στρώση – παράμετρος (σχήμα 4) δύναται να λαμβάνει τιμές από διάφορους πίνακες δεδομένων (εικόνα 4) που περιέχουν τα τεχνικά χαρακτηριστικά και το κόστος διάφορων ειδών υλικών (όλα τα υλικά του εμπορίου που δύναται να αποτελέσουν τμήμα – στρώση εξωτερικού κελύφους). Σημειώνεται πως λόγω κατασκευαστικών παραγόντων και των κανόνων της σύγχρονης τεχνικής, έχουν τεθεί ειδικοί περιορισμοί όπως για παράδειγμα οι τιμές για την πρώτη και τελευταία στρώση λαμβάνονται αποκλειστικά από τον Α και Η πίνακα που αφορούν εσωτερικό και εξωτερικό επίχρισμα αντιστοίχως. Οι πίνακες αυτοί παρουσιάζονται αναλυτικά στο Παράρτημα Β.
Οι παράμετροι αυτοί ονομάζονται «σχεδιαστικές παράμετροι» και αποτελούν συνιστώσες του σχεδιασμού ο οποίος είναι ένα σύνολο αριθμητικών δεδομένων (πραγματικών αριθμών, ακέραιων ή μικτών). Συγκεκριμένα τα δεδομένα σ’ αυτό το πρώτο στάδιο ανάπτυξης της παραμετροποίησης περιορίζονται σ’ αυτούς που συνθέτουν κατασκευαστικά το εξωτερικό κέλυφος του κτιρίου. Για τις ανάγκες της μελέτης το υπό εξέταση δομικό στοιχείο έχει αναλυθεί σε 7 στρώσεις (layers). Κάθε στρώση – παράμετρος (σχήμα 4) δύναται να λαμβάνει τιμές από διάφορους πίνακες δεδομένων (εικόνα 4) που περιέχουν τα τεχνικά χαρακτηριστικά και το κόστος διάφορων ειδών υλικών (όλα τα υλικά του εμπορίου που δύναται να αποτελέσουν τμήμα – στρώση εξωτερικού κελύφους). Σημειώνεται πως λόγω κατασκευαστικών παραγόντων και των κανόνων της σύγχρονης τεχνικής, έχουν τεθεί ειδικοί περιορισμοί όπως για παράδειγμα οι τιμές για την πρώτη και τελευταία στρώση λαμβάνονται αποκλειστικά από τον Α και Η πίνακα που αφορούν εσωτερικό και εξωτερικό επίχρισμα αντιστοίχως. Οι πίνακες αυτοί παρουσιάζονται αναλυτικά στο Παράρτημα Β.
- Ηλεκτρονικό αρχείο δεδομένων:
Κατ’ αυτό τον τρόπο οδηγούμαστε άμεσα στην ανάπτυξη και εφαρμογή ενός υπολογιστικού συστήματος σχεδιασμού που μπορεί να βρει τον κατάλληλο συνδυασμό των παραμέτρων ο οποίος εξάγει τον επιθυμητό σχεδιασμό ενός κτιρίου που ικανοποιεί όλες τις απαιτήσεις που καθορίζονται από τον μηχανικό (όπως για παράδειγμα το αρχικό κόστος κατασκευής έναντι του λειτουργικού κόστους ικανοποιώντας την ελάχιστη κατάταξη ΕΚ Β). Μ’ αυτό τον τρόπο το υπολογιστικό σύστημα σχεδιασμού προσδιορίζει και προτείνει τις λύσεις που ο μηχανικός δε θα μπορούσε να διερευνήσει καθότι αυτό θα χρειαζόταν τεράστια προσπάθεια και χρόνο.
- ΤΕΕ-ΚΕΝΑΚ αξιολόγηση:
- Μετρήσεις απόδοσης:
- Περαιτέρω επεξεργασία:
- Τιμές αντικειμενικών συναρτήσεων:
- Βελτιστοποίηση:
Κατά το τελικό αυτό στάδιο, η βελτιστοποίηση δημιουργεί ένα νέο αρχείο παραμετρικών μεταβλητών που εισάγονται, οι οποίες αποτελούν τις νέες συνιστώσες σχεδιασμού ήτοι ένα νέο συνδυασμό αριθμητικών δεομένων όπως αρχικώς αναλύθηκε στη διαδικασία της παραμετροποίησης και έτσι ολοκληρώνεται ο κύκλος του σχεδιασμού. Η διαδικασία λαμβάνει τέλος όταν ο μηχανικός είναι ικανοποιημένος με τις βελτιώσεις ή σε πραγματικές καθημερινές εφαρμογές όταν εξαντληθεί ο διαθέσιμος χρόνος.
Θεσσαλονίκη 14/10/2014
Η ομάδα εργασίας
Ζερμάν Χριστόφορος – Νάσης, πολιτικός μηχανικός MSc
Τιμολέων Κηπουρός, μηχανολόγος μηχανικός PhD
Θεοδοσίου Χρήστος, μηχανολόγος μηχανικός PhD
