Σκοπός

O Ηλιακός Τοίχος δεν εξυπηρετεί απλώς τη θέρμανση ενός κτιρίου αλλά τη θερμική άνεση των ενοίκων του.

Η βελτίωση του θερμικού ισοζυγίου παίζει σπουδαίο ρόλο στην αίσθηση ευφορίας στο χώρο. Αυτός είναι και ο στόχος του προϊόντος, να ανεβάσει δηλαδή την ηλιακή πρόσοδο το χειμώνα χρησιμοποιώντας φυσικές ιδιότητες των υλικών (θερμοχωρητικότητα, εκπομπή υπέρυθρης ακτινοβολίας, αγωγή, συναγωγή) και φυσικά φαινόμενα (θερμοκήπιο, θερμοσιφωνισμός) αλλά και να αυξήσει τη θερμική αδράνεια του κτιρίου ώστε να αποφύγουμε μεγάλες διακυμάνσεις στη θερμοκρασία (ημέρας – νύχτας).

.

Περιγραφή & Λειτουργία

Ο τοίχος θερμικής αποθήκευσης είναι ένα σύστημα που περιλαμβάνει έναν τοίχο χωρίς θερμομόνωση με νότιο προσανατολισμό (για το βόρειο ημισφαίριο), κατασκευασμένο από υλικά μεγάλης θερμοχωρητικότητας (μάρμαρο, νερό) που λειτουργεί ως αποθήκη και διανομέας της θερμότητας, και έναν υαλοπίνακα (στοιχείο του κελύφους του κτιρίου) τοποθετημένο σε απόσταση 12cm προς την εξωτερική του πλευρά, που χρησιμεύει για τη δέσμευση της ηλιακής ακτινοβολίας (δημιουργία θερμοκηπίου). Στον τοίχο σε όλο του το μήκος ενσωματώνονται θυρίδες για την κυκλοφορία του αέρα (θερμοσιφωνική ροή).

Η ηλιακή ακτινοβολία που εισέρχεται από το υαλοστάσιο μετατρέπεται σε θερμότητα στο χώρο μεταξύ του υαλοστασίου και του τοίχου και αποθηκεύεται ως θερμική ενέργεια στον τοίχο. Από εκεί μεταδίδεται με αγωγιμότητα, με ακτινοβολία και με μεταφορά στο χώρο. Ταυτόχρονα ο υαλοπίνακας λειτουργεί ως μονωτικό στρώμα για τη μείωση των θερμικών απωλειών από το θερμό τοίχο προς το εξωτερικό ψυχρό περιβάλλον. Η εξωτερική παρειά του τοίχου εμφανίζει μεγάλη απορροφητικότητα στην ηλιακή ακτινοβολία (σκούρο χρώμα μαρμάρου και αδρή επιφάνεια) αυξάνοντας έτσι την απόδοση του συστήματος αφού αναπτύσσεται σε αυτήν επιφανειακή θερμοκρασία μέχρι και 65οC, ενώ η εσωτερική ενδείκνυται να είναι γυαλιστερή και ανοιχτόχρωμη ώστε να αντανακλά την ακτινοβολία μέσα στο χώρο.

Οι θυρίδες στο επάνω και κάτω τμήμα του συμπαγούς τμήματος βοηθάνε ώστε η μετάδοση της θερμότητας προς την πλευρά του εσωτερικού χώρου να γίνεται εκτός από την αγωγιμότητα/υπέρυθρη ακτινοβολία και με φυσικό θερμοσιφωνισμό. Ο αέρας, που βρίσκεται μεταξύ του υαλοστασίου και του τοίχου, θερμαίνεται καθώς εφάπτεται στο θερμό τοίχο κι από τις θυρίδες που βρίσκονται στο επάνω μέρος του τοίχου εισέρχεται στον κατοικήσιμο χώρο, ενώ συγχρόνως εισέρχεται από την κάτω θυρίδα στο διάκενο ψυχρός αέρας από το εσωτερικό του κτιρίου, ο οποίος και θερμαίνεται. Με αυτόν τον τρόπο αποδίδεται πρόσθετη θερμότητα στο χώρο στις περιόδους της ηλιοφάνειας και η θέρμανση του χώρου αρχίζει αμέσως με τη θέρμανση του τοίχου και συνεχίζεται έως 2 με 3 ώρες μετά το σκιασμό του. Κατά τις νυχτερινές ώρες της χειμερινής περιόδου οι θυρίδες πρέπει να κλείνουν (αρκεί μόνον το κλείσιμο των επάνω θυρίδων), ώστε να μην προκαλείται αντίστροφη κυκλοφορία και συνεπώς ψύξη του αέρα.

Το πάχος του τοίχου είναι καθοριστικό. Η βέλτιστη τιμή του για μεγιστοποίηση της απόδοσης είναι τα 20cm. Η χρησιμοποίηση των θυρίδων παίζει μεγαλύτερο ρόλο στη γρήγορη θέρμανση του εσωτερικού χώρου. Το πάχος του τοίχου επηρεάζει και τη διακύμανση της θερμοκρασίας του αέρα στο θερμαινόμενο χώρο. Η χρονική υστέρηση στη μετάδοση της θερμότητας εκτιμάται στις 9 με 13 ώρες, δηλαδή ο τοίχος αποτρέπει τις χαμηλές θερμοκρασίες που επικρατούν τις νυχτερινές ώρες. Για θέρμανση χώρων που δεν έρχονται σε άμεση επαφή με τον τοίχο θερμικής αποθήκευσης, χρησιμοποιούνται αγωγοί που μεταφέρουν το θερμό αέρα από τις πάνω θυρίδες αερισμού στους πίσω χώρους και απάγουν από αυτούς τον ψυχρό αέρα ανακυκλώνοντάς τον.

.

Εγκατάσταση

Επισημαίνεται ότι ο τοίχος είναι απαραίτητο να μονωθεί από όλα τα στοιχεία με τα οποία εφάπτεται για να περιοριστούν οι θερμογέφυρες. Για τις θερμικές απώλειες τη μέρα μας καλύπτει η χρήση διπλού υαλοπίνακα (πάχος γυαλιού 4mm και διάκενο ανάμεσα 18mm). Η νυχτερινή κινητή μόνωση (θερμομωνοτικά πετάσματα) είναι απαραίτητη για το χειμώνα αλλά και για το καλοκαίρι που χρειάζεται ηλιοπροστασία. Επιπρόσθετα τα πετάσματα αυτά θα έχουν ανακλαστική επιφάνεια εσωτερική (ανοδιωμένο αλουμίνιο), ώστε την ημέρα -που μένουν ανοιχτά- να πολλαπλασιάζουν την ηλιακή ακτινοβολία προς τον τοίχο (αύξηση 40% της ηλιακής ακτινοβολίας). Επίσης θα ανοίγουν τμήματα του υαλοστασίου για να επιτρέπεται η διαφυγή του θερμού αέρα που υπάρχει στο χώρο μεταξύ υαλοστασίου και τοίχου προς το εξωτερικό περιβάλλον και να εξασφαλίζεται αποφόρτιση της θερμότητας και δροσισμός του τοίχου τους θερινούς μήνες, ενώ θα επιτρέπεται ο καθαρισμός των εσωτερικών επιφανειών τοίχου – δαπέδου – υαλοστασίου. Πρέπει να τονιστεί εδώ πως η ελαχιστοποίηση των θερμικών απωλειών με ένα καλά θερμομονωμένο κέλυφος κτιρίου συμπληρωματικά με τον τοίχο οδηγεί σε πολύ υψηλό βαθμό απόδοσης του συστήματος.

.

Η Καινοτομία

Στην Ελλάδα, παρά τη μεγάλη ηλιοφάνεια κατά τους χειμερινούς μήνες που καθιστά αποδοτικότερο το σύστημα, δεν είναι διαδεδομένη η χρήση του λόγω έλλειψης ενημέρωσης και συνεργείων εγκατάστασης. Εκεί έγκειται και το πρώτο μέρος της καινοτομίας της πρότασης. Η παροχή ενημέρωσης (B2B, internetπροβολή, εκθέσεις, flyerκ.α.) για το προϊόν, και τα αναμφίβολα μεγάλα προτερήματά του (μηδενικό κόστος λειτουργίας και συντήρησης, χαμηλό κόστος αγοράς, απόδοση, οικολογία, βελτίωση Ενεργειακής Απόδοσης Κτιρίων – κατάταξη Κ.ΕΝ.Α.Κ.) καθώς και η κατασκευή και εγκατάστασή του από εξειδικευμένα συνεργεία υπό την εποπτεία επιστημονικού προσωπικού.

Η δεύτερη και σημαντικότερη καινοτομία αφορά στα υλικά κατασκευής, τη δομή τους στο σύστημα και τη γεωμετρία του τοίχου. Ο καινοτόμος συνδυασμός νερού και μαρμάρου – γρανίτη αποτελεί επιλογή υψηλής απόδοσης, αφού και τα τρία βρίσκονται στην κορυφή της κατάταξης των υλικών με τη μεγαλύτερη θερμοχωρητικότητα αλλά και μικρή αγωγιμότητα. Το γεγονός αυτό τα καθιστά καταλληλότερα από άλλα υλικά όπως σκυρόδεμα, τούβλα κ.α. γιατί έχουν την ικανότητα να αποθηκεύουν μεγάλες ποσότητες θερμότητας και να την επανεκπέμπουν στο χώρο με χρονική υστέρηση (τις ώρες που δε ζεσταίνει ο ήλιος το κτίριο). Το μαρμάρινο περίβλημα λοιπόν συμμετέχει στη θερμοχωρητικότητα, στην αδράνεια και άρα στην απόδοση του συστήματος.

Επίσης είναι γνωστή η ιδιότητα των φυσικών πετρωμάτων να εκπέμπουν υπέρυθρη ακτινοβολία όταν ζεσταθούν. Συνεπάγεται λοιπόν πως μια ακόμα καινοτομία προκύπτει από τη χρήση του μαρμάρου στο σύστημα, η θέρμανση με ένα επιπλέον μέσο μετάδοσης, την ακτινοβολία. Πλεονεκτήματα της υπέρυθρης είναι μεταξύ άλλων και η άμεση απόδοση ζέστης στους χρήστες του κτιρίου (όπως μας ζεσταίνει ο ήλιος) χωρίς να χρειάζεται να θερμανθεί πρώτα ο αέρας, η ομοιόμορφη κατανομή της θέρμανσης, καθώς και η αποφυγή υγρασίας λόγω δρόσου στους τοίχους. Το μικρό βάρος του τοίχου (λόγω υλικών και γεωμετρίας) καθιστά εφικτή την εγκατάστασή του ακόμα και σε υφιστάμενες κατασκευές κάτι που δε συμβαίνει μέχρι σήμερα. Κατασκευαστικά, διαμορφώνονται τα τοιχώματα πάχους 3cm και ειδικές κυψέλες μέσα σε αυτά (όλα από μάρμαρο) που γεμίζουν με νερό και ευνοούν την γρήγορη μετάδοση της θερμότητας σε όλη τη μάζα του τοίχου με συναγωγή τη μέρα, ενώ τη νύχτα “παγιδεύουν” τη θερμότητα στην εσωτερική παρειά.

Ο μηχανισμός αυτός βασίζεται στις κεκλιμένες -κατά την έννοια του πλάτους- μαρμάρινες πλάκες που διατρέχουν όλο το μήκος του τοίχου και οριοθετούν τις κυψέλες. Οι πλάκες αυτές έχουν κλίση ανηφορική πηγαίνοντας από έξω προς τα μέσα διευκολύνοντας τη μεταφορά θερμότητας με ρεύματα προς τα μέσα τη μέρα. Αντίθετα τη νύχτα εγκλωβίζουν τα ρεύματα και δεν επιτρέπουν τις απώλειες προς τα έξω παρά μόνο με τη χρονοβόρα μέθοδο της αγωγής -που λόγω του χαμηλού συντελεστή θερμοπερατότητας των υλικών γίνεται πολύ αργά (το νερό είναι ισοθερμικό). Με την καινοτόμα τεχνική αυτή ο τοίχος εκμεταλλεύεται όλα τα πλεονεκτήματα των υλικών του. Η εξωτερική παρειά κατασκευάζεται από σκούρο μάρμαρο – γρανίτη ενώ μέσα η αισθητική υπεροχή του μαρμάρου δημιουργεί επιφάνειες διακοσμητικές σύμφωνα με το γούστο τον χρηστών του χώρου, γεγονός που κάνει τον τοίχο και αισθητικά προσιτό.

Οι διαστάσεις της πρότυπης μονάδας μαρμάρινου τοίχου είναι: Ύψος 1,20m, Πάχος 0,20m και Μήκος 1,50m. Θα μπορούν ωστόσο να προσαρμόζονται στις απαιτήσεις και τις ανάγκες του κάθε χώρου και φυσικά θα συνδυάζονται σε σειρά αυξάνοντας το μήκος του συστήματος και υπό προϋποθέσεις θα συνδυάζονται καθ’ύψος. Το χαμηλό ύψος δίνει μεγάλη ευελιξία στην εγκατάσταση του τοίχου, στη χρηστικότητά του, μειώνει το κόστος του και κρατάει τη ζέστη χαμηλά αυξάνοντας έτσι την απόδοσή του. Το βάρος του δε ξεπερνάει τα 380 kg/m με το νερό, ενώ οι συνδέσεις και η στεγανοποίηση γίνονται με ειδικές κονίες σε πολλαπλές επιστρώσεις και πολλά επίπεδα ασφάλειας. Ειδικά οι συνδέσεις εξασφαλίζονται επιπλέον και με μεταλλικά ελάσματα (μηχανική στήριξη με ελαστικά παρεμβύσματα), υψηλής αισθητικής ειδικά σχεδιασμένα για το προϊόν, που το προστατεύουν και από ανατροπή συγχρόνως.

.

Απόδοση και Οικονομία

Η απόδοση του καινοτόμου συστήματος εκτιμάται (βάση μαθηματικών μοντέλων και επιστημονικών δεδομένων από πειραματικά μοντέλα και μελέτες) στα 5-6,1 Κw/m² . Σε ένα καλά μονωμένο σπίτι δηλαδή μπορεί να επιτευχθεί αυτονομία θέρμανσης αν για κάθε m² κάτοψης στηθούν 0,30 Μ² τοίχου χωρίς λειτουργικό κόστος και κόστος συντήρησης. Σε περιπτώσεις που δεν υπάρχει χώρος για τόσα μέτρα το σύστημα θα βοηθάει στη θέρμανση του χώρου ανάλογα με τα μέτρα κάτοψης και τοίχου.  Ο προστιθέμενος βαθμός εξοικονόμησης ενέργειας του τοίχου θερμικής αποθήκευσης με μάρμαρο και νερό σε σχέση με τον τοίχο από συμβατικά υλικά υπολογίζεται από 25% έως 28% και οφείλεται στο συνδυασμό καινοτόμων τεχνικών/τεχνολογιών βελτιστοποίησης της απόδοσης του τοίχου. Ο θερμικός τοίχος μάζας ανήκει στην κατηγορία των παθητικών ηλιακών συστημάτων έμμεσου ηλιακού κέρδους. Συστήματα της ίδιας κατηγορίας είναι το θερμοκήπιο ή ηλιακός χώρος (προσαρτημένος στο κτίριο χώρος με μεγάλα υαλοστάσια και ευνοϊκό προσανατολισμό), ο αεροσυλλέκτης, αλλά και τα συστήματα άμεσου κέρδους (νότιος προσανατολισμός και υπολογισμός μεγέθους ανοιγμάτων κτιρίου). Ο βιοκλιματικός σχεδιασμός απαιτεί πολλές φορές το συνδυασμό συστημάτων και έτσι αυτά δρουν υποστηρικτικά μεταξύ τους. Είναι λάθος να μπει κανείς σε διαδικασία σύγκρισης τους αφού το ένα δεν αποκλείει το άλλο, αλλά το συμπληρώνει και το περιλαμβάνει. Για παράδειγμα ο τοίχος θερμικής μάζας περιλαμβάνει θερμοκήπιο και το αντίθετο, καθώς και τα δύο συνδυάζουν καλό προσανατολισμό και μέγεθος ανοιγμάτων. Ωστόσο τις περισσότερες φορές δεν είναι εφικτή η κατασκευή θερμοκηπίου και αεροσυλλέκτη, ειδικά σε κτίρια εντός πόλεως και υφιστάμενα.

Σε σύγκριση τώρα με τις συμβατικές μεθόδους θέρμανσης, όπως για παράδειγμα το φυσικό αέριο και το πετρέλαιο (που επίσης έχουν κόστος εγκατάστασης ανάλογο του τοίχου), συμφέρει -ακόμα και αν οι χρήστες επιθυμούν να τις εγκαταστήσουν- η συμπαραγωγή θερμότητας παθητικά (πρωτίστως ή βοηθητικά) από θερμικό τοίχο μάζας. Το κόστος του τοίχου εκτιμάται περίπου 400 €/m². Το ετήσιο κόστος θέρμανσης για ένα σπίτι 100 m² με φυσικό αέριο και πετρέλαιο αντίστοιχα υπολογίζεται στα 1200 € και 1500 €. Αν λοιπόν κατασκευάσουμε θερμικό τοίχο επιφάνειας 8 m² θα κοστίσει 3.200 € και θα έχουμε μια μείωση των χρημάτων που καταναλώνουμε ετήσια για θέρμανση της τάξης του 25%. Ο τοίχος θα αποσβέσει σε  6 με 7  χρόνια και μετά θα εξοικονομούνται ενέργεια και χρήματα. Στο παράδειγμα δεν υπολογίστηκε ενδεχόμενη αύξηση τιμών της καύσιμης ύλης και κόστος συντήρησης των συμβατικών συστημάτων γεγονός που μειώνει ακόμη περισσότερο τον χρόνο απόσβεσης.

ΜΕΛΕΤΗ ΗΛΙΑΚΟΥ ΤΟΙΧΟΥ

H παραγωγή του ηλιακού τοίχου χρηματοδοτήθηκε στο πλαίσιο του προγράμματος ”Νέα Καινοτομική Επιχειρηματικότητα” του  ΕΠΑΝ ΙΙ του ΕΣΠΑ 2007-2013