Design, testing and modelling of façade integrated photovoltaic systems

Karol Bot

Informações chave

Autores:

Orientadores:

Laura Elena Aelenei (Laura Elena Aelenei); Carlos Augusto Santos Silva (Carlos Augusto Santos Silva); Maria da Glória de Almeida Gomes (Maria da Glória De Almeida Gomes)

Publicado em

09/10/2020

Resumo

O presente trabalho incide sobre sistemas integrados de energia solar (BI-SES), nomeadamente sistemas térmicos fotovoltaicos integrados (BIPVT) em edifícios. Nos últimos anos tem havido um interesse crescente, do ponto de vista de engenharia e arquitetura, no desenvolvimento estratégico de fachadas de edifícios para atender aos requisitos atuais de eficiência energética e sustentabilidade. Este estudo tem como objetivo desenvolver novas soluções de fachadas com a integração de sistemas de energia solar, avaliar o seu desempenho, experimental e numericamente e, através de uma análise paramétrica baseada em modelos validados, melhorar o design do sistema. O caso de estudo está localizado no edifício Solar XXI do Laboratório Nacional de Energia e Geologia em Lisboa, Portugal. Consiste em uma sala de teste com um sistema BIPVT instalado que foi posteriormente testado com os novos protótipos P1a (módulo fotovoltaico com módulo de isolamento interno) e P1b (módulo fotovoltaico com módulo de tanque interno de água) com um complexo sistema de automação. Foi desenvolvida uma extensa campanha experimental com o registo e análise de diferentes parâmetros climáticos exteriores e ambientais da sala de teste e dos elementos BI-SES, tendo sido também realizada a caracterização térmica dos elementos. Este estudo foi complementado com uma análise numérica que consistiu, numa primeira fase, na simulação dinâmica de fluidos computacional (usando o ANSYS Fluent) para a análise de elementos BI-SES e, numa segunda fase, na simulação energética da integração de elementos BI-SES na sala de teste (usando o EnergyPlus). Foi realizada uma análise paramétrica com 82 cenários, variando parâmetros como a posição do dispositivo de proteção da janela, o número de painéis fotovoltaicos no sistema, a espessura da camada de ar, as trocas de ar entre os sistemas BI-SES e a sala e os seus modos de operação. As principais conclusões do estudo indicam que o BI-SES (BIPVT) existente e o novo protótipo em suas duas versões, têm potencial para aumentar a sustentabilidade do edifício, reduzindo as necessidades de energia para aquecimento e arrefecimento. No entanto, a sua operação precisa de ser adaptada a outros sistemas existentes na zona térmica, como os dispositivos de sombreamento, tendo o modo automático de operação, com pontos de ajuste operacionais inteligentes, provado ser o mais adequado. The present work focuses on integrated solar energy systems (BI-SES), namely integrated photovoltaic thermal systems (BIPVT) in buildings. In recent years there has been a growing interest, from the point of view of engineering and architecture, in the strategic development of building facades to meet current requirements for energy efficiency and sustainability. This study aims to develop new façade solutions with the integration of solar energy systems, evaluate their performance, experimentally and numerically and, through a parametric analysis based on validated models, to improve the system design. The case study is located in the Solar XXI building of the National Energy and Geology Laboratory in Lisbon, Portugal. It consists of a test room with a BIPVT system installed that was later tested with the new prototypes P1a (photovoltaic module with internal insulation module) and P1b (photovoltaic module with internal water tank module) with a complex automation system. An extensive experimental campaign was developed with the registration and analysis of different external and environmental climatic parameters of the test room and the BI-SES elements, and the thermal characterization of the elements was also carried out. This study was complemented with a numerical analysis that consisted, in a first phase, in the dynamic simulation of computational fluids (using ANSYS Fluent) for the analysis of BI-SES elements and, in a second phase, in the energy simulation of the integration of BI-SES elements. SES in the test room (using EnergyPlus). A parametric analysis was performed with 82 scenarios, varying parameters such as the position of the window protection device, the number of photovoltaic panels in the system, the thickness of the air layer, the air exchanges between the BI-SES systems and the room and their modes of operation. The main conclusions of the study indicate that the existing BI-SES (BIPVT) and the new prototype in its two versions, have the potential to increase the sustainability of the building, reducing the energy needs for heating and cooling. However, its operation needs to be adapted to other existing systems in the thermal zone, such as shading devices, having the automatic mode of operation, with intelligent operational set points, proved to be the most suitable.