Pannelli solari dinamici

Ottimizzazione della domanda energetica netta dell’edificio con ombreggiatura dinamica

L’utilizzo di un sistema fotovoltaico dinamico per l’ombreggiatura adattativa può migliorare le prestazioni energetiche dell’edificio controllando i guadagni di calore solare e l’illuminazione naturale, generando contemporaneamente elettricità sul posto. Questo documento presenta innanzitutto un framework di simulazione integrato per accoppiare la generazione di elettricità fotovoltaica alla costruzione di risparmi energetici attraverso l’ombreggiatura adattiva. Un modello ad alta risoluzione di luminosità e fotovoltaico calcola il rendimento di elettricità fotovoltaica tenendo conto dell’ombreggiamento parziale tra i moduli. L’irradiazione solare rimanente che penetra nella finestra viene utilizzata in un modello termico di costruzione capacità-resistenza. Viene eseguita una simulazione di tutte le possibili configurazioni dinamiche per ogni fase oraria, di cui viene scelta la configurazione più efficiente dal punto di vista energetico. Quindi utilizziamo questo framework per determinare l’orientamento ottimale dei pannelli fotovoltaici per massimizzare la generazione di elettricità minimizzando al contempo la domanda di riscaldamento, illuminazione e raffreddamento dell’edificio.

Una facciata fotovoltaica adattiva esistente è stata utilizzata come caso di studio per la valutazione. I nostri risultati riportano un risparmio energetico netto del 20–80% rispetto a un equivalente sistema di schermatura fotovoltaica statica a seconda dell’efficienza del sistema di riscaldamento e raffreddamento. In alcuni casi la facciata solare adattiva può quasi compensare l’intero fabbisogno energetico dello spazio ufficio dietro di essa. Il controllo della produzione fotovoltaica sulla facciata, contemporaneamente alla domanda di energia dell’edificio, apre nuovi metodi di gestione dell’edificio in quanto la facciata può controllare sia la produzione che il consumo di elettricità.

Attualmente vi è uno spostamento nel settore dell’edilizia verso involucri edilizi adattivi e dinamici in grado di utilizzare le mutevoli condizioni meteorologiche durante il giorno e l’anno. Il controllo adattativo dell’insolazione solare si traduce in riduzioni dei carichi di riscaldamento / raffreddamento, miglioramenti nella distribuzione della luce diurna e generazione di elettricità in loco (se dotata di moduli fotovoltaici).
La Adaptive Solar Façade (ASF), adatta sia per edifici nuovi che esistenti, produce elettricità e regola la generazione di luce e calore. Il leggero sistema fotovoltaico riduce così o elimina l’uso di combustibili fossili per l’elettricità.

Gli attuali sforzi per migliorare gli involucri edilizi si concentrano principalmente sulla riduzione della domanda di energia mediante misure statiche come isolamento, vetri selettivi e ombreggiatura. Le buste risultanti sono limitate nell’adattarsi alle condizioni meteorologiche o alle esigenze degli occupanti e lasciano enormi potenzialità per il risparmio energetico, la generazione di energia in loco e il miglioramento del comfort degli occupanti.

In questo lavoro, riportiamo un involucro dinamico dell’edificio che utilizza moduli leggeri basati su un attuatore ibrido di materiale duro / morbido per modulare attivamente la radiazione solare per la generazione di energia locale, riscaldamento passivo, ombreggiatura e penetrazione della luce del giorno. Descriviamo due prototipi di inviluppo e dimostriamo il monitoraggio solare autonomo in condizioni meteorologiche reali. L’inviluppo fotovoltaico dinamico raggiunge un aumento fino al 50% dei guadagni di elettricità rispetto a un inviluppo fotovoltaico statico. Valutiamo i potenziali di risparmio energetico per tre località, sei periodi di costruzione e due tipi di utilizzo dell’edificio. L’involucro è più efficace nei climi temperati e aridi, in cui, per i casi analizzati, può fornire fino al 115% della domanda netta di energia di una stanza d’ufficio.

Si tratta di un sistema di facciate solari adattabili.  La facciata è composta da una serie di pannelli solari mobili montati su un sistema di cavi d’acciaio, ognuno dei quali è controllato individualmente e mosso in verticale e orizzontale da uno snodo robotico. 

Pannelli solari mobili intelligenti, capaci di far risparmiare molta più energia e al tempo stesso di produrla con la giusta quantità di luce o ombra, a seconda del tempo e dell’uso interno: descritti sulla rivista Nature Energy, sono stati messi a punto dal gruppo del Politecnico di Zurigo guidato da Arno Schluter.
L’ottimizzazione degli involucri edilizi svolge un ruolo sostanziale nella riduzione del consumo globale di energia e nel raggiungimento degli obiettivi energetici e climatici. Ora, è stato dimostrato che un involucro dinamico di un edificio fotovoltaico migliora l’autosufficienza energetica dell’edificio, adattandosi al contempo alle mutevoli condizioni meteorologiche e alle esigenze degli occupanti.

Potenziale di risparmio simulato

La facciata non solo genera elettricità, ma può anche regolare quanta luce e calore permeano l’involucro dell’edificio, regolando così il clima interno. Un algoritmo di apprendimento adattivo controlla il movimento dei pannelli in modo che i risparmi realizzati negli spazi interni di riscaldamento e raffreddamento riducano la domanda netta di energia. Allo stesso tempo, l’algoritmo prende anche in considerazione il modo in cui l’attuale edificio utilizza e regola di conseguenza il clima.
Per determinare il grado in cui il consumo di energia di una stanza potrebbe teoricamente essere ridotto, i ricercatori hanno simulato diversi scenari utilizzando i dati dei prototipi. Hanno calcolato il potenziale di risparmio energetico della costruzione di involucri dotati di facciate mobili mobili al Cairo, Zurigo e Helsinki. In tal modo hanno eseguito simulazioni per spazi sia in ufficio che in uso residenziale.

Il più grande potenziale nelle zone temperate

I risultati mostrano che il risparmio energetico tende ad essere più elevato negli uffici che negli spazi abitativi, nei climi caldi piuttosto che in quelli freddi, e soprattutto nelle zone temperate come l’Europa centrale. Arno Schlüter riassume i risultati: “Più variabili sono le condizioni ambientali, maggiori sono i vantaggi della facciata adattativa”.

Il miglior bilancio energetico è riscontrato nelle simulazioni di spazi per uffici in una zona temperata (in questo caso Zurigo) in edifici costruiti secondo gli standard più recenti. In questo scenario, dove nel corso dell’anno sono richiesti sia il riscaldamento che il raffrescamento interni, la facciata adattiva ha generato il 115 percento dell’energia richiesta per un ambiente confortevole.
Un risultato altrettanto positivo viene dalla simulazione di uno spazio ufficio in una casa al Cairo costruita prima del 1920, che richiedeva molta più ombra e raffreddamento. In questo caso, la facciata ha prodotto il 114 percento del fabbisogno energetico annuale totale. In altre parole, lo studio evidenzia il potenziale di risparmio energetico sia per gli edifici nuovi che per quelli vecchi, ma la facciata deve essere sempre considerata in congiunzione con lo spazio interno e il suo utilizzo.

“Vorremmo risolvere il compromesso tra comfort dell’utente ed efficienza energetica negli edifici”, afferma Arno Schlüter. “In teoria, lo spazio più efficiente dal punto di vista energetico non avrebbe finestre. Siamo quindi lieti di dimostrare come un’interfaccia intelligente tra l’interno e l’esterno di un edificio possa fornire un comfort ottimale all’utente e anche generare energia in eccesso.”

Il gruppo del professor Schlüter sarà presto in grado di misurare l’impatto della facciata solare adattiva su un edificio fisico: il sistema fa parte dell’unità futuristica “HiLo” attualmente in costruzione sulla piattaforma più alta dell’edificio di ricerca NEST a Dübendorf.

I moduli sono mobili grazie a un nuovo dispositivo, l’attuatore robotico morbido, che proviene da un nuovo e promettente campo della robotica, la robotica leggera. È realizzato con materiali flessibili che assumono più forme quando la pressione nelle camere speciali cambia. Tali attuatori sono normalmente utilizzati principalmente per robot protesici e biomimetici; li stiamo esplorando e sviluppando per i futuri sistemi energetici e climatici negli edifici.

Principio di funzionamento e caratterizzazione di un attuatore pneumatico ibrido a due assi, materiale morbido / duro a, Un attuatore ibrido è costituito da un attuatore pneumatico a tre camere in materiale morbido e un giunto universale esterno in acciaio inossidabile. Le direzioni di rollio e beccheggio sono indicate per la vista laterale dell’attuatore. b, c, sezioni verticali del modello ad elementi finiti dell’attuatore morbido quando una delle tre camere è gonfiata. Le linee tratteggiate negli inserti della vista dall’alto indicano le posizioni delle sezioni verticali.

La barra della scala dei colori indica la massima sollecitazione di von Mises nel materiale in megapascal. d, Effetto di rigidità regolabile: spostamento rispetto alle caratteristiche di coppia esterne per i diversi parametri dell’attuatore interno — pressioni nelle camere, pc. All’aumentare della pressione in tutte e tre le camere, aumenta la rigidità dell’attuatore. Il fattore di irrigidimento massimo è 2,5 volte a 1,6 bar con questo design di attuatore e selezione del materiale. e, Effetto di smorzamento regolabile: lo smorzamento aumenta anche con un aumento della pressione comune nelle tre camere.

La costante di tempo dominante (Td) della risposta diminuisce con l’elevata pressione comune nelle camere. f, il piano roll-pitch che mostra gli assi principali di attuazione e la gamma angolare dell’attuatore. Le quattro forme a diamante indicano gli angoli di rollio raggiunti quando le tre camere sono gonfiate e sgonfiate in sequenza, con due che vengono gonfiate contemporaneamente, a quattro pressioni massime (0,5 bar, 1 bar, 1,5 bar e 2 bar). Le pressioni nelle camere da 1 a 3 sono indicate come terzine (ad esempio, (2,0, 2,0, 0,0) bar) che indicano quali camere sono gonfiate. g, Ripetibilità del movimento per 50 cicli consecutivi di gonfiaggio-sgonfiaggio di 1 camera.

Arno Schlüter descrive il sistema: i moduli sono mobili grazie a un nuovo dispositivo, l’attuatore robotico morbido, che proviene da un nuovo e promettente campo della robotica, la robotica leggera. È realizzato con materiali flessibili che assumono più forme quando la pressione nelle camere speciali cambia. Tali attuatori sono normalmente utilizzati principalmente per robot protesici e biomimetici; li stiamo esplorando e sviluppando per i futuri sistemi energetici e climatici negli edifici.

Il nostro attuatore morbido è fabbricato con un processo di fusione cava appositamente sviluppato e la camera viene quindi riempita di aria. Le valvole controllano il flusso d’aria pompando o rilasciando aria per deformare l’attuatore e quindi spostare l’elemento solare in modo selettivo. Con attuatori morbidi, possiamo controllare ogni modulo adattivo di facciata solare singolarmente e ruotarlo su due assi, da solo o in gruppi. Ciò consente ai moduli di tracciare il movimento del sole e generare energia, utilizzare o limitare l’energia solare, creare privacy o aprire la vista. Un regolatore intelligente e adattivo consente alla facciata di adattarsi alle mutevoli condizioni meteorologiche e alle abitudini e ai desideri dell’utente.

Altre informazioni utili

Edificio di ricerca HiLo

HiLo è una piattaforma di ricerca e innovazione per NEST. Questo edificio modulare è un progetto di punta dei Laboratori federali svizzeri per la scienza e la tecnologia dei materiali (Empa) e l’Istituto federale svizzero di scienze e tecnologie acquatiche (Eawag). Fornisce una piattaforma per ricercatori e partner del settore per testare nuove tecnologie edilizie ed energetiche in condizioni reali. NEST comprende il nucleo centrale dell’edificio su cui possono essere ancorati diversi moduli o unità dell’edificio.

“HiLo” è l’abbreviazione di “High Performance, Low Energy“. Numerosi sensori, pavimenti e soffitti termoregolanti e la facciata solare adattiva sono progettati per garantire che l’edificio produca più energia di quanta ne consuma in generale. La costruzione leggera ottimizzata digitalmente consente di risparmiare sui materiali da costruzione e quindi anche sull’energia grigia. I lavori di costruzione del progetto sono iniziati a luglio presso la piattaforma di ricerca NEST a Dübendorf. I professori dell’ETH Philippe Block e Arno Schlüter stanno realizzando il progetto in collaborazione con numerosi partner del settore.

Fonti:
https://www.nature.com/articles/s41560-019-0424-0
https://systems.arch.ethz.ch/research/active-and-adaptive-components/asf-adaptive-solar-facade.html
https://ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2015/06/soft-robotics-for-adaptive-building-facades.html

Riferimenti:
Arno Schlüter
Professor of Architecture & Sustainable Building Technologies (SuAT), ETH Zurich

Svetozarevic B, Begle M, Jayathissa P, Caranovic S, Shepherd RF, Nagy Z, Hischier I, Hofer J & Schlueter A: Dynamic photovoltaic building envelopes for adaptive energy and comfort management. Nature Energy 4, pages 671–682, 2019.
Doi: 10.1038/s41560-019-0424-0