בית ספר לשימור אנרגיה

עבודת מסטר

בשנת 1998 חתמה ממשלת ישראל על אמנת קיוטו, הדורשת ממדינות מפותחות להפחית את פליטת הגזים התורמים ליצירת אפקט החממה החל משנת 2008 ועד 2012 בשיעור של 5.2% לעומת הפליטה בשנת 1990. חתימה זו, סביר שתלווה באשרור האמנה (היינו התחייבות מעשית לביצועה ולא רק הצהרת כוונות) בשלב כלשהו בהמשך. כדי להיערך לקראת ההתחייבויות הללו, העריך המשרד לאיכות הסביבה את היקפי הפליטה הקשורים בפעילויות שונות במשק הישראלי עבודה זו נגעה בכל שימושי האנרגיה לתעשייה ולמגורים. (כ- 58% מצריכת החשמל הארצית הכוללת).

תוך התייחסות לגידול בינוני באוכלוסייה, ( לפיו בשנת 2015 יהיו בישראל כ 7.5 מליון נפש, אשר יהוו כ 2.2 מליון בתי אב), ובהנחה אופטימית כי הבניה החדשה תעמוד בדרישות התקן לבידוד מבני מגורים וכי יעילות מערכות האקלום תשתפר במקצת, התקבלה תחזית לפיה צריכת האנרגיה למטרות אקלום מבנים תהווה כ–47% מצריכת האנרגיה החשמלית הכוללת בבנייני מגורים (לעומת 38% כיום). התחזית הנ"ל לא התייחסה לעובדה כי רמת האקלום כיום של מבני מגורים היא עדיין מתחת לרמת נוחות תרמית מתאימה לבתי מגורים. סביר להניח, כי עם העלייה ברמת החיים בארץ, תעלה גם רמת האקלום, והצריכה הכוללת למטרה זו תלך ותגדל אף מעבר לתחזית הנ"ל.

לעומת מבני מגורים, במבני ציבור ובבתי ספר, החלק המרבי של צריכת החשמל מורכב מאקלום ותאורה. גם כאן, התחזית היא שעם העלייה ברמת החיים הכללית והשאיפה להשגת נוחות תרמית, תלך ותגדל צריכת החשמל לצורכי אקלום. משמעות הנתונים הנ"ל היא שהתרומה החלקית של האקלום והתאורה בבניינים לפליטת CO2 מתחנות כוח, שהיא משמעותית כבר היום בישראל (כ–33%), תלך ותגדל עם השנים ותעלה על 50% ! בהסתמך על תוצאות מחקרים רבים שנעשו בישראל עבור מבני מגורים, ומספר מחקרים עבור בנייני משרדים ניתן לחסוך עד 40% מהוצאות האנרגיה לאקלום הבניין ע"י תכנון מודע אקלים ואנרגיה ואמצעים מבניים פשוטים יחסית.

לגבי מבני חינוך, אשר תפקודם הכולל שונה מהותית מזה של בנייני מגורים ומשרדים היו חסרים בארץ ממצאים מחקריים ויעדים כמותיים לחיסכון באנרגיה. הסיבה לכך שבעוד שקביעת דפוסי ההפעלה האופטימליים עבור מבני מגורים פשוטה יחסית, הרי שמבני חינוך הם מבנים בהם שוהה אוכלוסיה רגישה יחסית מבחינה בריאותית, בצפיפות גבוהה יחסית למשך פרקי זמן ארוכים לאורך היממה. בניית מבנים אלה צריכה להיות מבוססת על פתרון הקונפליקט בין שמירה על הנוחות התרמית ועל איכות אויר הפנים מחד, וחיסכון מרבי באנרגיה מאידך. מטרת מחקר זה הינה פיתוח מתודולוגיה לתכנון מודע אנרגיה של בתי ספר תוך הבטחת איכות אוויר הפנים והנוחות התרמית בכיתות הלימוד, והדגמתה ע"י יישום עבור בתי ספר באזור ההר של מדינת ישראל. י

ישום הגישה נעשה באמצעות סימולציות תרמיות דינאמיות ממוחשבות של מבנה חינוך, אשר תוצאותיהן הן צריכת החשמל השנתית לחמום, קירור, תאורה ואוורור הכיתות. זאת בשונה ממחקרים קודמים, אשר הסקת המסקנות התבצעה בהם על פי סיכום מלאכותי של צריכת האנרגיה הצפויה. הצורך בניתוח צריכת החשמל של כל המערכות במבנה נובע מההבדל בנצילויות המערכות השונות ומחוסר היכולת להביא למכנה משותף אחר את סך הצריכה לחימום, קירור, תאורה והסעת אויר. חישוב צריכת החשמל הצפויה מתאפשר, במחקר זה, הודות לשימוש בתוכנת הסימולציה האנרגטית Energy Plus.

לצורך כך, נבדקו תחילה גורמים מבניים המשפיעים על תפקודו האנרגטי של מבנה כיתות עם החדרת אוויר חוץ בכמות המותאמת לדרישות איכות אוויר הפנים, גובשו המלצות לבניית מבנה חינוך יעיל אנרגטית, ואז נבדקו דרכים לשפר את היעילות האנרגטית ע"י שימוש בדפוסי אוורור מורכבים. לשם גיבוש עקרונות אלה, הוגדר מודול בסיסי של מבנה חינוך על פי מאפיינים המוכתבים על ידי הנחיות משרד החינוך והתקינה הישראלית. בוצעה בדיקה של כעשרה מאפיינים מבניים של המודול הבסיסי, נמצאו ערכים עדיפים של כל מאפיין, ופותח "מודול עדיף". בשני המודולים נשמרה איכות אוויר הפנים ע"י הזרמת אוויר צח לכיתות הלימוד לפי דרישות תקינה בינלאומית.

המאפיינים המבניים העדיפים נקבעו ע"י ביצוע סימולציות ממוחשבות, תוך שימוש בתוכנת הסימולציה האנרגטית Energy Plus. תוכנה זו מבצעת אנליזה תרמית אנרגטית מלאה של אקלום המבנה, של תנאי התאורה בחלליו השונים ושל השפעת תנועות אויר חוץ אל המבנה וממנו ובין חללי המבנה ולוקחת בחשבון את סוג המערכות. תוצאות הסימולציות הן בין היתר צריכת החשמל השנתית לחמום, קירור, תאורה ואוורור כיתות המבנה.

בין המאפיינים שנבדקו: הפניית קיר החלונות, סוג קירות החוץ ואופן בנייתם, הגג והרצפה התחתונה, סוג תקרות הביניים וקירות הפנים, צבע ובידוד קירות החוץ והגג, שטח החלונות וסוג הזיגוג בהם. נמצא כי המאפיין המבני בעל ההשפעה הגדולה ביותר הוא הפניית קיר החלונות. ההפניה העדיפה במבנה חינוך הינה לכיוון צפון או דרום, בכיוונים האחרים נמצא, כי הגדלת עובי הבידוד התרמי עד פי שלושה מדרישות התקן הישראלי, אינו משפר את צריכת החשמל השנתית במידה בה משפרת הפנייה נכונה של קיר החלונות. עוד נמצא כי שטח החלונות המומלץ נע בין 11 ל 13 אחוזים משטח הכיתה. עם זאת, נמצא כי ישנם מאפיינים מבניים אשר השפעתם על צריכת החשמל זניחה כגון צבע קירות החוץ ובידוד הרצפה.

בדיקת העלות האנרגטית של שמירת איכות אוויר הפנים בכיתות המודול העדיף העלתה כי זו מגדילה את צריכת החשמל השנתית בכ 25% לעומת מודול עדיף בו לא מובטחת איכות אוויר הפנים.

לעומת זאת, צריכת החשמל השנתית של המודול העדיף המבטיח את איכות אוויר הפנים הייתה אפילו נמוכה בכ 5% מצריכת החשמל של מודול בסיסי של מבנה חינוך אשר לא מבטיח את איכות אוויר הפנים בתוך כיתות הלימוד.

שיפור התפקוד האנרגטי בקיץ מתאפשר באמצעות אוורור המבנה אחרי שעות הפעילות בשעות בהן טמפרטורת אויר החוץ נמוכה מאשר טמפרטורת אוויר פנים הכיתות. נמצא כי אוורור בקצב אופטימלי של כ 10 החלפות לשעה מקטין את הצריכה בכ- 12%. המסקנות מבדיקה זו יושמו במבנה אשר הוגדר כ"מבנה משופר". במבנה זה נבחנו השפעות הפעלת דפוסי אוורור מורכבים אשר כללו הסעת אוויר במסלולים שונים לאורך שעות היום והלילה ולאורך עונות השנה השונות. דפוסי אוורור אלה מצריכים שימוש באמצעי אוורור ובקרה פשוטים יחסית שעלות אחזקתם והתקנתם זניחה. נמצא כי ע"י שימוש בדפוס אוורור מורכב ניתן להקטין את צריכת החשמל בעוד כ- 20% לעומת המבנה המשופר ובסך הכל בכ- 28% לעומת המבנה העדיף שאינו משופר. גם מסלול האוויר הנכנס מן החוץ אל חללי במבנה השונים באוורור הלילה נבדק והוגדר עבור ההפניות השונות.

בנוסף נבדקה תקפות המסקנות לעיל עבור מבני חינוך המורכבים מיותר ממודול בסיסי אחד (מודול כפול – עם כיתות בהפניות צפוניות ודרומיות משני צידי מסדרון פנימי) ונמצאה התאמה מרבית בין השפעת מאפייני המבנה על הצריכה השנתית במבנה היחיד ובמבנים הכפולים .

מסקנות המחקר העיקריות מופיעות בציור 1 להלן:

ציור 1: השפעת שיפור דפוסי האוורור על תצרוכת החשמל השנתית בכיתות לימוד. משמאל – מבנים בסיסיים בהם לא נשמרת איכות אויר הפנים, מימין – מבנים השומרים על איכות אויר הפנים תוך שימוש בדפוסי אוורור "חכמים".

הממצאים לעיל מראים כי על ידי דפוסי אוורור מתאימים, ניתן להקטין את תצרוכת החשמל הכוללת לאקלום בלי לגרוע מתחלופות האוויר לצורך איכות אוויר הפנים. זאת ועוד, מבנה הכיתות בעל דפוסי האוורור המשופרים שפורטו לעיל יעיל יותר אפילו ממבנה שאינו מאוורר לצורך איכות אוויר הפנים כלל! היינו, ע"י שימוש מושכל בדפוסי אוורור, אשר הפעלתם אינה מצריכה כל ציוד נוסף על ציוד האוורור הקיים במבנה הכיתות, ובהשקעה מזערית של מערכת תזמון ובקרת אוורור פשוטה, ניתן לשפר את היעילות האנרגטית של בניין ביה"ס. יתר על כן, באמצעות השקעה נמוכה יחסית בציוד אוורור ובקרתו ניתן להפוך מבנה כיתות, שאינו מקנה לשוהים בתוכו תנאי איכות אוויר פנים נאותים, למבנה העומד בדרישות איכות אוויר הפנים תוך חיסכון משמעותי באנרגיה.

מסקנה זו הינה מרחיקת לכת, במיוחד לנוכח ההנחה הרווחת כיום, גם בקרב אנשי מקצוע, לפיה הזרמת אוויר חוץ, בכמויות שמחייבים תקני איכות אויר הפנים במבנים, מגדילה בצורה ניכרת את צריכת האנרגיה של המבנה.

איתמר גולדברגר

עבודת המסטר של אינג` איתמר גולדברגר, מומחה לבידוד תרמי ובניה ירוקה, בנושא בניה מודעת אנרגיה של מבני חינוך בישראל, בהנחיית פרופ"ח רחל בקר