I grattacieli di Dubai sono perfetti per il fotovoltaico integrato negli edifici

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Un gruppo di ricercatori del Medio Oriente ha valutato come il fotovoltaico integrato negli edifici (BIPV) possa contribuire a ridurre il consumo di elettricità nei grattacieli di Dubai, negli Emirati Arabi Uniti.

Gli studiosi hanno spiegato che la città ha 25 edifici di oltre 300 metri, mentre altri 14 grattacieli di questa scala sono attualmente in costruzione. “A Dubai, il 38,9% del consumo energetico totale è legato agli edifici e il settore dei grattacieli è fondamentale per l’efficienza energetica”, hanno dichiarato. Il BIPV può essere un’alternativa molto efficiente a Dubai, grazie alla riduzione del carico degli edifici e alla produzione di energia”. Il presente lavoro si propone di studiare l’efficienza energetica in funzione del numero di piani con l’applicazione del BIPV”.

Il gruppo ha condotto una serie di simulazioni utilizzando i software EnergyPlus e TRNSYS, prendendo in considerazione un edificio in cui tutti i piani hanno le stesse dimensioni: altezza di 3,6 metri, superficie di 400 m2 e rapporto finestre/pareti dell’80%.

“Le condizioni principali per la simulazione sono state ipotizzate con una densità di occupazione di 0,2 persone/m2 , un calore sensibile di 65 W/persona e un calore latente di 54 W/persona”, hanno aggiunto. “La densità di illuminazione è di 20,0 W/m2, la densità di dispositivi di 22,0 W/m2 e i fattori di ventilazione attraverso i condizionatori d’aria per persona sono stati assunti pari a 35 m3/persona”.

Modellazione

Gli scienziati hanno ipotizzato che l’edificio abbia una temperatura di 20 C per il riscaldamento e 26 C per il raffreddamento nei giorni lavorativi, in base al clima di Dubai. Utilizzando la letteratura accademica precedente, gli scienziati hanno stimato il consumo energetico annuale dell’edificio a 360 kWh/m2. È stato creato un modello di riferimento con una finestra fotovoltaica a doppio strato (LDW) a bassa emissività (Low-E) e sono state considerate cinque tipologie di sistemi BIPV.

Tre di essi erano sistemi per la sostituzione delle finestre basati su moduli traslucidi a film sottile di silicio amorfo (a-Si). Si tratta di tre diverse configurazioni, denominate finestra fotovoltaica a doppio strato (a-si DW), finestra fotovoltaica a doppio strato a bassa emissività (a-si LDW) e finestra fotovoltaica tripla a bassa emissività (a-si LTW).

Un’altra tipologia di sistema BIPV è stata una facciata continua fotovoltaica basata su moduli in silicio cristallino (c-si FMAT). La quinta e ultima opzione era un sistema ibrido, che combinava FMAT e LTW a-si.

“Come risultato dell’analisi, il sistema BIPV del tipo a sostituzione di finestra è efficace a partire dal 15° piano, il sistema BIPV del tipo a sostituzione di parete esterna è efficace a partire dal 12° piano e il sistema ibrido BIPV del tipo a sostituzione di finestra e parete esterna è efficace a partire dal 9° piano”, hanno spiegato gli studiosi.

Confronto con il fotovoltaico su tetto

Gli scienziati hanno inoltre osservato che gli array BIPV non solo aggiungono energia all’edificio, ma ne riducono anche il carico di raffreddamento e riscaldamento, grazie ai materiali utilizzati per il loro assemblaggio. Nel caso della sostituzione delle finestre, gli scienziati hanno anche scoperto che la riduzione del carico di raffreddamento e riscaldamento è più significativa rispetto alla generazione fotovoltaica convenzionale sul tetto.

Tutte e tre le configurazioni di sostituzione delle finestre sono riuscite a produrre 20,2 kWh/m2 all’anno, mentre la riduzione del carico è stata di 27,2 kWh/m2, 33,6 kWh/m2 e 34,1 kWh/m2 nelle configurazioni a-si DW, a-si LDW e a-si LTW, rispettivamente. Ciò si confronta con un consumo annuo di 352,6 kWh/m2 nel caso della LDW di base.

Il sistema FMAT c-si è stato in grado di ridurre il carico di 20,1 kWh/m2 e di sostenere l’edificio con una produzione di 26,1 kWh/m2. La configurazione ibrida ha ridotto il carico di 24,9 kWh/m2 e ha contribuito alla produzione di 34,9 kWh/m2.

Gli scienziati hanno poi confrontato le prestazioni dei diversi sistemi BIPV con quelle di un’installazione convenzionale sul tetto, che nell’edificio simulato potrebbe utilizzare una superficie di 400 me. Hanno scoperto che questo impianto può essere competitivo con gli impianti BIPV solo se l’edificio non supera i sette piani.

“Il tasso di riduzione dell’energia si mantiene costantemente al 17,0% quando si applica un tipo di ibrido fotovoltaico, e questo risultato è equivalente alla scala di 5 piani (17,0%) del sistema montato sul tetto”, hanno detto. “Inoltre, rispetto al tasso di riduzione dell’energia del 15,5% della LdL a-si, è stata analizzata la versione della scala a 6 piani (14,2%) del BAPV montato su tetto. Anche il C-si FMAT mantiene un tasso di riduzione energetica del 13,2% indipendentemente dall’aumento del numero di piani, che si avvicina al valore della scala a 7 piani (12,2%) della BAPV montata su tetto”.

I risultati sono stati presentati nello studio “Analyzing the effectiveness of building integrated Photovoltaics (BIPV) to reduce the energy consumption in Dubai”, pubblicato su Ain Shams Engineering Journal. Il gruppo comprendeva accademici dell’Università Ajman degli Emirati Arabi Uniti (EAU) e dell’Università Prince Mohammad bin Fahd dell’Arabia Saudita.

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