Integrazione edilizia delle superfici fotovoltaiche by fischeritalia

20_25 FISHER_FOTOVOLTAICHE

10-11-2008

14:07

Pagina 20

Integrazione edilizia delle superfici fotovoltaiche Paolo Bearzi - SystecDesign e Dott. Stefano Bordignon - fischer Italia Introduzione La crescente complessità degli impianti connessa alle maggiori esigenze di comfort, informazione, telecontrollo, spinge gli operatori dell’edilizia a svincolare gli ingombri impiantistici dai volumi abitati. La tecnologia dell’energia solare diretta a soddisfare disparate richieste porta alla ricerca di vaste superfici esposte nei pressi dell’utilizzo. L’attenzione cade sulle superfici verticali degli edifici, soprattutto di quelli più alti da aggiungersi alle coperture piane o semipiane che nel frattempo diventano il punto di raccolta dell’impiantistica destinata principalmente alla climatizzazione degli edifici stessi. Esistono problemi interdisciplinari da affrontare e risolvere: l’involucro deve mantenere o migliorare le caratteristiche di tenuta agli agenti atmosferici; il passaggio della luce naturale non deve essere impedito; le sovrastrutture non devono aumentare il peso portato dall’edificio ecc. Vi sono poi problemi di coordinamento impiantistico: le superfici solari di riscaldamento sono vincolate dall’orientamento prossimo al sud e dalla capacità di soddisfare il fabbisogno di punta. Un impianto sottodimensionato non sarebbe in grado di erogare il servizio richiesto. Le superfici lasciate libere dal captatore termico possono essere utilizzate per la costruzione di generatori fotovoltaici, esempi di impianti con vita e caratteristiche indipendenti dall’edificio sottostante, cioè svincolati dalla struttura. Le prestazioni dell’impianto vengono legate alle esigenze della rete di distribuzione elettrica piuttosto che alle esigenze dell’utilizzatore; così, salvo casi sporadici, l’energia prodotta viene consegnata alla rete e ricomprata nelle quantità necessarie allo stesso prezzo con un meccanismo di scambio sul posto. Il criterio di dimensionamento principale si basa sul fatto di non produrre energia in eccesso rispetto ai consumi, per l’ottimizzazione di tariffe e incentivi. La potenza erogata diventa quindi un fatto secondario, non legato all’esigenza istantanea com’è invece per l’impianto di climatizzazione. Al contrario del fratello termico infine, l’impianto

Integration of building surfaces photovoltaic Paolo Bearzi - SystecDesign and Dr. Stefano Bordignon - fischer Italia Introduction

Integrazione edilizia delle superfici fotovoltaiche

The growing complexity of systems connected with the greater demand for comfort, information, remote control and so on has induced builders to consider layout dimensions separately from the volume of the actual living area. Solar Energy technology, aimed at meeting all sorts of requirements, is leading to a search for vast exposed surface areas in the vicinity of the place where the energy is to be used. The vertical surfaces of buildings, especially of high buildings, have attracted attention in this respect, in addition to flat or semi-flat roofs that also become the place where the systems intended mainly for air conditioning of the buildings are installed. There are interdisciplinary problems to be tacked and solved: the cladding must maintain or improve weatherproofing. The entry of natural light must not be prevented, the superstructures must not increase the weight borne by the building, etc. Then there are problems relating to plantengineering co-ordination. Solar surfaces for heating must face in a direction as close as possible to south and be sized so that they meet peaks of demand. An undersized system would not be able to provide the service required. The surfaces not occupied by the heat collector can be used to build photovoltaic generators, as examples of systems operating independently of the building underneath them. Performance of the system is linked to the requirements of the power grid rather than to the needs of the user. This means that, except for sporadic cases, the Energy produced enters the grid and the quantities needed for use are bought back at the same price thanks to an on-site exchanging mechanism. The main sizing mechanism is based on the principle of not producing more energy than is consumed, so as to optimise the rates and incentives. Thus, the power supplied becomes a secondary factor, not linked to instantaneous needs, as is the case, on the other hand, of air-conditioning systems.

20_25 FISHER_FOTOVOLTAICHE

10-11-2008

14:07

Pagina 21

fotovoltaico viene utilizzato integralmente per tutto l’anno: diversi saranno i criteri di dimensionamento progettuale.

Elementi costitutivi dell’impianto Dal punto di vista impiantistico gli elementi costitutivi sono pochi e ben identificabili: una superficie captante, una rete elettrica di raccolta, un sistema di conversione dei parametri tensione/corrente per l’accoppiamento alla rete, un sistema di protezione elettrica, un allacciamento alla rete pubblica e alla rete utente, una serie di contatori di energia che regolano i rapporti di scambio utente-gestore. Si aggiungono dove necessario i sistemi di protezione dai fulmini. La superficie captante è leggera, se confrontata con i sistemi termici, non aggravata dalla restante parte dell’impianto che comprende cavi, quadri elettrici ed equipaggiamenti di peso complessivo non rilevante rispetto alla portata strutturale degli edifici nei quali vengono installati anche nel caso di impianti di notevoli dimensioni e potenze. Questa caratteristica ne permette l’installazione su aree estese pur con modeste sottostrutture portanti: la staffatura agli elementi strutturali è prefabbricabile con soluzioni definite a priori. La struttura costruttiva dei singoli elementi, molto simile a superfici vetrate, consente di utilizzare analoghe tecniche di tenuta agli agenti atmosferici. L’estensione delle superfici tuttavia richiede verifica delle forze in gioco, con particolare interesse al vento e all’azione sismica laddove ci sia pericolo. Non si può quindi prescindere dal calcolo strutturale. Il vento spinge alla ricerca di un’integrazione strutturale per evitare inutili sovraccarichi dovuti ai flussi d’aria presenti nell’atmosfera. L’integrazione strutturale porta una maggiore semplicità di montaggio e smontaggio dell’equipaggiamento e la semplificazione della manutenzione sia ordinaria sia straordinaria da effettuarsi in posizioni

Esempio di facciata fotovoltaica

Example of photovoltaic façade

Lastly, unlike heat-producing panels, photovoltaic systems are used throughout the year. There are several criteria for sizing the project.

Parts making up the system From the plant-engineering point of view, a photovoltaic system is made up of only a few, easily identifiable parts: a collecting surface, a power network, a system for converting the voltage/current parameters for coupling to the network, an insulating system, a connection to the power grid and to the user network, a set of power meters that control the exchanges between the users and the network managers. Where necessary, lightning conductor systems are added. The collector surface is lighter than heating systems, as the weight of the additional equipment such as cabling, switchboards and so on is insignificant in relation to the structural capacity of the buildings in which they are installed, even in case of large and powerful systems. This feature enables them to be installed over extensive areas, even without large-scale load-bearing substructures. The system for bracketing them to the structural elements can be prefabricated on the basis of solutions defined beforehand. The construction structure of the single elements, which are very similar to glazed surfaces, is very simple and similar weatherproofing techniques can be used. The sizes of the surfaces, however, require the forces coming into play to be investigated, with particular reference to wind and, where this risk exists, to seismic forces. Structural calculations are therefore absolutely necessary. Wind makes it necessary to seek structural integration so as to avoid unnecessary overloading due to the flows of air present in the atmosphere.

Elementi caratteristici dell’impianto fotovoltaico

Typical parts of a photovoltaic system

20_25 FISHER_FOTOVOLTAICHE

10-11-2008

14:07

Pagina 22

Photo by Web Rise Srl

comunque sempre poco agevoli e accessibili. La soluzione costruttiva integrata migliora la sicurezza in relazione alla fulminazione riducendo l’esposizione di elementi metallici oltre i limiti dell’edificio. Indipendentemente dalla natura dell’edificio l’inserimento di estese superfici dotate di strutture metalliche che ne modificano il profilo, aumenta infatti la probabilità di fulminazione diretta e opportune misure di protezione devono essere adottate. L’integrazione viene riconosciuta dalle direttive europee recepite dalla normativa italiana, che le ha tradotte in maggior incentivo per quegli impianti che si integrino con le strutture edili. L’integrazione talvolta viene letta esclusivamente come fatto estetico e le soluzioni adottate danno origine a impianti di ridotta efficienza vanificando l’impegno lodevole di integrare la struttura. La superficie captante deve invece assumere caratteristiche di tenuta all’acqua o assolvere funzioni di riparo temporaneo o può migliorare le caratteristiche termiche delle strutture di coibentazione estiva o invernale. Il problema principale di questa tecnologia è costituito dalla riduzione di rendimento per causa dell’aumento di temperatura della superficie captante quando la ventilazione venga limitata o impedita. L’irraggiamento solare è convertito in elettricità in minima parte; la restante si trasforma in energia termica che viene assorbita dalle strutture e deve essere smaltita.

Integration of the structure means that mounting and disassembly of the equipment are simpler and both scheduled and unscheduled maintenance are also simplified, although they have to be carried out in fairly uncomfortable and inaccessible positions. Lastly, the integrated construction solution improves Prefabricated components, safety also with regard to protection against lightning by reducing the exposure of metal elements simplicity of construction beyond the edges of the building. This is because, regardless of the type of building concerned, the addition of large surfaces equipped with metal structures that change its profile will increase the probability of direct striking by lightning, and therefore suitable protective measures must be adopted. Building-in is acknowledged by the European Directives incorporated into Italian regulations, which provide higher incentives for systems that are built into building structures. Building-in is sometimes interpreted simply as a matter of aesthetics, so that the solutions adopted give rise to lower efficiency of the system, thus frustrating the praiseworthy effort of building in the structure. The collecting surface, on the other hand, must seal against water or have the functions of a temporary shelter, or it may improve the thermal characteristics of the summer or winter insulating structures. The main problem of this technology consists of lower performance due to an increase in temperature of the collecting surface, when ventilation is limited or prevented. Only a very small share of the solar energy is converted into electricity; the rest is transformed into thermal Energy, that is absorbed by the structures and must be disposed of.

Integrazione edilizia delle superfici fotovoltaiche

Elementi prefabbricati, semplicità costruttiva

Riduzione degli ingombri e integrazione

Reduction of layout dimensions and building-in

10-11-2008

14:07

Necessità di superfici estese

Pagina 23

Photo by S.E.S.C.O Srl

20_25 FISHER_FOTOVOLTAICHE

L’irraggiamento solare investe la terra con quasi 1400 W/m2; una quota considerevole viene assorbita dall’atmosfera prima di raggiungere la superficie terrestre e un’ulteriore quota è persa nella conversione fotovoltaica (rendimento minore del 25%, vicino piuttosto al 17 - 19%), quindi gli impianti saranno in grado di erogare potenze dell’ordine massimo di 200 W/m2 nelle condizioni ottimali di esercizio. Se consideriamo un impianto di 10 kW, corrispondente ad una modesta attività umana saranno necessari circa 50 m2 di superficie utile captante ben orientata. Salvo il caso a terra, superfici di tali dimensioni sono disponibili in copertura o sulle pareti verticali dove però l’orientamento è forzato. La differenza tra fisso e inseguimento invece non è così apprezzabile, viste le maggiori spese da sostenere per installare i meccanismi di movimento e per la maggiore manutenzione ordinaria e straordinaria necessaria a tenere in esercizio il campo solare. Le esposizioni a est e ovest non danno risultato. Utilizzo di spazi disponibili Nella ricerca di organizzare questi nuovi elementi di grande superficie con il patrimonio edilizio esistente si incorre in un ulteriore problema: il sistema non è libero di raffreddarsi Use of available spaces correttamente stante la vicinanza delle superfici captanti con le strutture edili, la temperatura sale mentre il rendimento scende ulteriormente. Gli spazi interstiziali diventano elementi impiantistici di convogliamento dell’aria da calcolare per contrastare irraggiamento e convezione sulle strutture e sull’impianto. Si devono studiare i materiali di contatto e di tenuta e si devono definire gli elementi tecnologici idonei a sopportare e ridurre le temperature in gioco. Nei casi considerati, con ventilazione ben fatta si possono supporre aumenti di ulteriori 15 °C rispetto ad un impianto in aria libera. L’integrazione nella struttura porta la superficie verticale sud ai limiti di convenienza. L’aumento di temperatura è contenuto se l’aria sotto al modulo può scorrere in modo agevole, per esempio con un sistema ventilato, idoneo anche al raffreddamento estivo della struttura sottostante. In questo contesto le tecniche di fissaggio la fanno da padrone nel mettere a disposizione dell’installatore opportuni prodotti. Il sistema ventilato deve realizzare canali verticali di sfogo dal basso verso l’alto piuttosto che interrompere il flusso d’aria in orizzontale con un montante ogni lunghezza di modulo, anche se questa è pratica abbastanza comune per la maggior semplicità di ancoraggio alla struttura sottostante. Quando la ventilazione è impedita la temperatura può salire a valori dell’ordine di 120 °C e in questo caso danni strutturali alle celle possono occorrere con conseguenze sull’esercizio dell’impianto al di là dei valori di rendimento.

The need for large surface areas The rays of the sun strike the ground with a force of almost 1400 W/m2; a large proportion is absorbed by the atmosphere before reaching the surface of the earth and another share is lost during photovoltaic conversion (yield below 25%, probably closer to 17 to 19%), so that the system will be able to supply power at a maximum of 200 W/m2 even in optimum operating conditions. If we consider a 10-kW system, corresponding to a mild human activity, about 50 m2 of well-directed Influenza dei montanti collecting surface will be required. Apart from on the ground, surface areas of this size are available sull’aumento di temperatura: only on roofs or on vertical walls where, however, there is no choice of direction. nel caso 1 la ventilazione The difference between the fixed and the tracking type is, on the other hand, not so easily è impedita, nel caso 2 appreciated, considering the extra costs involved for installing the mechanisms for moving the panel è favorita and the higher scheduled and unscheduled maintenance costs needed for keeping the solar field up Impact of uprights on the and running. Systems facing east or west do not give any results. increase in temperature: In seeking to organise these new elements requiring large surface areas with existing buildings, in case 1 ventilation a further problem is encountered: the system is not free to cool down correctly because of the is prevented, in case 2 it is closeness of the collecting surfaces to the building structures. Thus, the temperature increases and facilitated performance drops further. The interstitial spaces become plant-engineering elements for conveying the air, to be calculated so as to prevent radiation and convection Ventilazione impedita on the structures and on the system itself. The contact and sealing materials must be investigated, and technological elements capable of bearing and reducing Poco adatto the temperatures involved have to be defined. In the cases considered, with wellper l’integrazione organised ventilation, it is possible to assume increases of a further 15 °C as compared with a system in free air. Building a vertical surface into the structure brings it to the limits of good value. The increase in temperature will be limited if the air can flow easily under the module, for example with a ventilated system, also suitable for cooling the structure below in summer. In this context, the fixing Ventilazione Favorita techniques are decisive for placing suitable techniques at the installer’s disposal. The ventilated system must provide vertical outflow channels running from the bottom Idoneo per upwards rather than interrupting the stream of air horizontally with an upright at each integrazione module length, although this practice is fairly common since it makes securing to the underlying structure simpler. When ventilation is prevented, the temperature may rise even to about 120 °C, in which case the cells may undergo structural damages with Il profilo è più complesso e permette di realizzare un tetto ventilato consequences on operation of the system not limited to performance.

20_25 FISHER_FOTOVOLTAICHE

10-11-2008

14:07

Pagina 24

Disponibilità di superfici orizzontali e verticali: un occhio di riguardo agli edifici L’edilizia moderna ha perso nella cultura propria i concetti principali di orientamento degli edifici, sopperendo a tale mancanza attraverso impianti elettromeccanici di comfort tra cui si annoverano quelli di illuminazione, di riscaldamento e raffrescamento, quelli di ventilazione; perfino il movimento di serramenti e schermature può essere automatizzato. L’orientamento delle superfici acquista nuovamente importanza, per dare spazio ai sistemi che devono erogare energia agli impianti di comfort stessi. Si tratta di trovare ampie superfici idonee e dedicate, a disposizione e in vicinanza dei luoghi di impiego per il miglior uso dell’energia. La superficie a terra è già stata utilizzata dagli edifici, ma una pressoché uguale superficie si trova in copertura. Si dovrà tener conto di ombre riportate, di piani di sviluppo e di distanze di rispetto tra edifici. Occorre guardare in primo luogo alle nuove costruzioni, senza abbandonare l’esistente, spesso mal orientato e non idoneo per accogliere i sistemi moderni. Sono comuni le soluzioni di montaggio in appoggio ai manti di copertura in tegole, che ottengono parziale integrazione architettonica, ma che consentono di mantenere un’elevata ventilazione e quindi corrispondenti basse temperature di esercizio e alte rese. Le coperture offrono superfici vaste e se orizzontali o sub orizzontali si prestano a soluzioni orientate in modo ottimale o quasi.

Availability of horizontal and vertical surfaces: looking at buildings

Tetto ventilato integrato con la copertura. Tra i moduli e il piano di posa è stato realizzato un canale di ventilazione a tiraggio naturale di circa 50 mm

Integrazione edilizia delle superfici fotovoltaiche

Built-in ventilated roof. A natural-draught ventilation channel about 50 mm wide has been created between the modules and the supporting surface, arranging the prefabricated structure suitably

Impianto di oltre 1 MW in sud Italia

System producing over 1 MW in Southern Italy

The concept of making a building face in a specific direction no longer exists in the modern building industry. This shortcoming is made up for by electromechanical systems for lighting, heating and cooling and ventilation. Even the movements of windows and blinds can be automated. The direction in which surfaces face becomes important again in terms of making room for the equipment for supplying power to these systems. It is a matter of finding large suitable and dedicated surfaces to place at disposal close to the place of use so that the power can be exploited in the best possible way. The surface area on the ground has already been used for buildings, but an almost equally large surface area is available on the roof. Shadows, heights and distances to be maintained between the buildings have to be taken into account. It will be necessary, first of all to look at the new buildings, without ignoring the existing ones, although they are often not facing in the best direction and are not suitable for installing modern systems. Resting the system on the curved tiles is a common solution giving rise to partial building into the architecture yet retaining good ventilation and therefore corresponding low operating temperatures and high yields. Roofs provide vast surfaces and if they are horizontal or sub-horizontal they enable the system to be faced in the best possible direction or almost.

20_25 FISHER_FOTOVOLTAICHE

10-11-2008

14:07

Pagina 25

Fotovoltaico in facciata

Photovoltaics in front Photo by SOCOPOWER

Pensilina

Roofing

Evoluzione dell’impianto integrato È necessario rivedere gli edifici nella loro collocazione urbanistica, nella struttura edile e nell’assegnazione degli spazi tecnici in relazione alla tecnologia applicata. Il coordinamento interdisciplinare diventa ancora più importante per identificare nuove soluzioni di integrazione: pensiline di protezione per persone e automobili nei parcheggi e aree di sosta; protezione di negozi e attività commerciali in luogo di drappi e tendaggi; tetti ventilati di coperture ecc.

Evolution of built-in systems It is necessary to consider the buildings in their town-planning context and with regard to their building structure and the areas allocated for technical uses with reference to the technology used. Interdisciplinary co-ordination becomes even more important for identifying new solutions for building systems into buildings: shelters for protecting people and cars in parking areas and so on; replacing shop awnings and blinds, ventilated roofs etc.

Copertura

Cover