Διερεύνηση ενεργειακής απόδοσης και θερμικής άνεσης σε κατοικίες μέσω επεξεργασίας χρονοσειρών μετρήσεων ενεργειακής κατανάλωσης και ιδιοτήτων εσωτερικού αέρα
Φόρτωση...
Ημερομηνία
2025-11-06
Συγγραφείς
Τίτλος Εφημερίδας
Περιοδικό ISSN
Τίτλος τόμου
Εκδότης
ΕΛΜΕΠΑ, Πολυτεχνική Σχολή, Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών
Επιβλέπων
Περίληψη
Η διπλωματική εργασία εστιάζει στη διερεύνηση της σχέσης μεταξύ θερμικής
άνεσης και ενεργειακής κατανάλωσης σε κατοικίες, στο Ηράκλειο Κρήτης. Κίνητρο
για την παρούσα έρευνα αποτελεί η αυξανόμενη ανάγκη περιορισμού της
κατανάλωσης ενέργειας και του ανθρακικού αποτυπώματος του κτηριακού τομέα,
που στην Ευρωπαϊκή Ένωση αντιπροσωπεύει περίπου το 40% της συνολικής
ενεργειακής ζήτησης. Η θερμική άνεση εξετάζεται με βάση το καθιερωμένο μοντέλο
Predicted Mean Vote/Predicted Percentage of Dissatisfied (PMV/PPD) του Fanger,
το οποίο αποτελεί θεμέλιο για τα διεθνή πρότυπα ASHRAE 55, ISO 7730 και EN
15251. Η μεθοδολογία αφορά στην υπολογιστική επεξεργασία παραμέτρων
κατανάλωσης ενέργειας και ιδιοτήτων εσωτερικού αέρα σε κατοικίες, οι οποίες
βρίσκονται διαθέσιμες από την καταγραφή δεδομένων από οκτώ κατοικίες (τέσσερις
το καλοκαίρι και τέσσερις τον χειμώνα), που κατέγραφαν ωριαία την εσωτερική
θερμοκρασία, τη σχετική υγρασία και την ηλεκτρική κατανάλωση. Για σκοπούς
ερμηνείας των μετρήσεων ιδιοτήτων αέρα με όρους θερμικής άνεσης αναπτύχθηκε
υπολογιστικό μοντέλο του προτύπου Predicted Mean Vote και αναπτύχθηκαν
χρονοσειρές, διαγράμματα και χρονικές κατανομές του δείκτη PMV σε μορφή
θερμικού χάρτη, ενώ εφαρμόστηκαν διαδικασίες κανονικοποίησης και
πολυωνυμικής παλινδρόμησης για την ποσοτική διερεύνηση της σχέσης
κατανάλωσης και θερμικής άνεσης. Τα αποτελέσματα εμφάνισαν μια μη γραμμική,
καμπανοειδή σχέση μεταξύ δείκτη PMV και κατανάλωσης ενέργειας. Το καλοκαίρι η
μέγιστη κατανάλωση παρατηρείται σε τιμές του δείκτη PMV = +1 έως +1.5, ενώ τον
χειμώνα σε PMV = −1 έως −0.5, γεγονός που καταδεικνύει την μεγαλύτερη
ανεπάρκεια των συστημάτων ψύξης να καλύψουν τις ανάγκες θερμικής άνεσης σε
σχέση με τα συστήματα θέρμανσης την περίοδο του χειμώνα. Το προηγούμενο
αποδεικνύεται και από τις χρονικές κατανομές του δείκτη PMV όπου προκύπτει
μεγαλύτερη απόκλιση από τα επίπεδα θερμικής άνεσης την θερινή περίοδο. Οι
χάρτες θερμότητας έδειξαν μικρή απόκλιση από τη ζώνη άνεσης κατά τη θερινή
περίοδο, ενώ τον χειμώνα οι κατοικίες διατηρούνται πιο συχνά εντός αποδεκτών
ορίων. Παρατηρήθηκε επίσης ότι η συμπεριφορά των ενοίκων επηρεάζει
καθοριστικά την ενεργειακή χρήση, καθώς συχνά όταν η δυσφορία έχει ήδη
εμφανιστεί, τότε ενεργοποιούνται τα συστήματα θέρμανσης ή ψύξης, οδηγώντας σε
αργοπορημένη απόκριση σε σχέση με τις θεωρητικές προβλέψεις.
Η συμβολή της εργασίας εστιάζεται παρακάτω:
1. Παρουσιάζει μια αναπαραγώγιμη μεθοδολογία υπολογισμού δεικτών
άνεσης από επεξεργασία χρονοσειρών μετρήσεων θερμοκρασίας και
σχετικής υγρασίας εσωτερικού αέρα με χρήση Excel και Python
2. Τεκμηριώνει, σε μεσογειακές συνθήκες, την απόκλιση του PMV από τις
πραγματικές συνθήκες και την προσαρμοστική συμπεριφορά των
ενοίκων.
3. Εισάγει καμπύλες αναφοράς που συνδέουν με διαφορετικούς τρόπους
την κατανάλωση ενέργειας με τον δείκτη PMV, χρήσιμη για τον
σχεδιασμό και την ενεργειακή διαχείριση κατοικιών.
Τα ευρήματα υποδεικνύουν ότι η βέλτιστη ενεργειακή στρατηγική δεν είναι η
αυστηρή διατήρηση ουδετερότητας (PMV = 0), αλλά η αποδοχή ελαφρών
αποκλίσεων που συνάδουν με την προσαρμοστικότητα των ενοίκων. Στο πλαίσιο
αυτό, η μελέτη προσφέρει μια διαδεδομένη μεθοδολογία υπολογισμού δείκτη
θερμικής άνεσης, θέτοντας βάση για την εξαγωγή βασικών εξισώσεων πρόβλεψης
των αναμενόμενων συνθηκών θερμικής άνεσης από την ενεργειακή κατανάλωση του
κτηριακού τομέα στο Ηράκλειο.
This thesis investigates the relationship between thermal comfort and electricity use in dwellings under the Mediterranean climate of Heraklion, Crete. The motivation stems from the pressing need to reduce energy demand and carbon emissions in the building sector, which accounts for a substantial share of Europe’s energy use. Thermal comfort is assessed through the established Predicted Mean Vote / Predicted Percentage of Dissatisfied (PMV/PPD) framework introduced by Fanger and embedded in the ASHRAE 55, ISO 7730 and EN 15251 standards. The methodology concerns the computational processing of energy consumption parameters and indoor air properties in residential buildings, which are available from the recording of data from eight residential buildings (four in summer and four in winter), which recorded hourly indoor temperature, relative humidity and electricity consumption. For the purpose of interpreting air quality measurements in terms of thermal comfort, a computational model of the Predicted Mean Vote model was developed and time series, diagrams and time distributions of the PMV index in the form of a heat map were developed, while normalization and polynomial regression procedures were applied for the quantitative investigation of the relationship between consumption and thermal comfort. To quantify the comfort consumption linkage, normalization procedures and polynomial regressions were applied across bands of outdoor temperature. Results reveal a clear non-linear, bellshaped relation between PMV and electricity use. In summer, peak consumption occurs in PMV values from +1 to +1.5, whereas in winter it occurs in PMV values from −1 to −0.5. The heat maps showed a small deviation from the comfort zone during the summer period, while in winter the residences are more often kept within acceptable limit. Temporal heatmaps show departures from the comfort zone during summer, while winter conditions remain more frequently within acceptable limits. Occupant behaviour plays a decisive role, explaining systematic deviations from idealized PMV-based predictions, because of the HVAC often activated once discomfort is already perceived (delayed response). The contribution of the work is focused on the following: 1. It presents a reproducible methodology for calculating comfort indices from processing time series of temperature and relative humidity measurements of indoor air using Excel and Python. 2. empirical evidence, under Mediterranean conditions of adaptive occupant responses and PMV deviations in lived-in homes. 3. It introduces reference curves that link energy consumption to the PMV index in different ways, useful for the design and energy management of homes. Findings suggest that strictly maintaining PMV = 0 is neither behaviourally realistic nor necessarily energy optimal. Instead, accepting modest deviations aligned with occupant adaptability can achieve “comfort with minimal energy.” In this context, the study offers a widespread methodology for the calculation of thermal comfort index, laying the basis for the extraction of basic equations for the prediction of the expected thermal comfort conditions from the energy consumption of the building sector of Heraklion.
This thesis investigates the relationship between thermal comfort and electricity use in dwellings under the Mediterranean climate of Heraklion, Crete. The motivation stems from the pressing need to reduce energy demand and carbon emissions in the building sector, which accounts for a substantial share of Europe’s energy use. Thermal comfort is assessed through the established Predicted Mean Vote / Predicted Percentage of Dissatisfied (PMV/PPD) framework introduced by Fanger and embedded in the ASHRAE 55, ISO 7730 and EN 15251 standards. The methodology concerns the computational processing of energy consumption parameters and indoor air properties in residential buildings, which are available from the recording of data from eight residential buildings (four in summer and four in winter), which recorded hourly indoor temperature, relative humidity and electricity consumption. For the purpose of interpreting air quality measurements in terms of thermal comfort, a computational model of the Predicted Mean Vote model was developed and time series, diagrams and time distributions of the PMV index in the form of a heat map were developed, while normalization and polynomial regression procedures were applied for the quantitative investigation of the relationship between consumption and thermal comfort. To quantify the comfort consumption linkage, normalization procedures and polynomial regressions were applied across bands of outdoor temperature. Results reveal a clear non-linear, bellshaped relation between PMV and electricity use. In summer, peak consumption occurs in PMV values from +1 to +1.5, whereas in winter it occurs in PMV values from −1 to −0.5. The heat maps showed a small deviation from the comfort zone during the summer period, while in winter the residences are more often kept within acceptable limit. Temporal heatmaps show departures from the comfort zone during summer, while winter conditions remain more frequently within acceptable limits. Occupant behaviour plays a decisive role, explaining systematic deviations from idealized PMV-based predictions, because of the HVAC often activated once discomfort is already perceived (delayed response). The contribution of the work is focused on the following: 1. It presents a reproducible methodology for calculating comfort indices from processing time series of temperature and relative humidity measurements of indoor air using Excel and Python. 2. empirical evidence, under Mediterranean conditions of adaptive occupant responses and PMV deviations in lived-in homes. 3. It introduces reference curves that link energy consumption to the PMV index in different ways, useful for the design and energy management of homes. Findings suggest that strictly maintaining PMV = 0 is neither behaviourally realistic nor necessarily energy optimal. Instead, accepting modest deviations aligned with occupant adaptability can achieve “comfort with minimal energy.” In this context, the study offers a widespread methodology for the calculation of thermal comfort index, laying the basis for the extraction of basic equations for the prediction of the expected thermal comfort conditions from the energy consumption of the building sector of Heraklion.
Περιγραφή
Λέξεις-κλειδιά
Ενεργειακή απόδοση, Κατανάλωση ενέργειας, Κατοικία, Μεσογειακό κλίμα, Θερμική άνεση, Energy efficiency, Energy consumption, Residence, Mediterranean climate, Thermal comfort