Facciate solari ottimizzate parametricamente
Lo studio di architettura architektur innovation labor (ai:L) composto dagli architetti Adrian Heller, Stefan Huth, Frank Hülsmeier, sviluppa progetti di ricerca e innovazione su materiali e tecnologie per costruzioni leggere ed efficienti dal punto di vista energetico, nonché facciate solari multifunzionali.
Insieme all’Istituto di ricerca dell’Università di scienze applicate di Lipsia , in Germania, hanno sviluppato la soluzione Solar.shell su cui si basa la loro facciata solare.
AiL ha indirizzato questa ricerca verso le facciate degli edifici urbani parzialmente ombreggiate dalla vicinanza di altre costruzioni e propone di analizzare parametricamente l’involucro e progettare piccoli moduli fotovoltaici orientati verso la migliore luce solare su ciascuna delle facciate:
Facciate solari
“L’aumento dell’urbanizzazione e la pressione che questo esercita sulla rete elettrica pubblica significa che sarà necessario produrre più energia nelle aree urbane, vicino a dove viene consumata. Di conseguenza, la generazione di energia solare utilizzando il fotovoltaico (FV) sulle facciate sta suscitando maggiore interesse. Tuttavia, con i moduli fotovoltaici standard è quasi impossibile rispondere in modo sensibile all’intento progettuale e alle sottigliezze del sito in un contesto urbano.
A differenza dei prodotti attualmente disponibili sul mercato, la facciata solare ottimizzata parametricamente, Solar.shell, si basa su piccoli moduli fotovoltaici, che sono notevolmente più facili da integrare in modo flessibile nelle facciate.I calcoli computerizzati parametrico-generativi consentono al progettista di orientare in modo ottimale i moduli verso il sole, tenendo conto del percorso solare e dell’ombreggiamento.
Il rendimento risultante per m2 di superficie fotovoltaica è fino al 55% superiore a quello dei moduli in piano. I moduli fotovoltaici possono essere combinati con altri materiali come cemento, legno o, come nel caso delle immagini in questo articolo, pannelli compositi in alluminio integrati in elementi di facciata 3D. Le facciate assumono aspetti diversi a seconda dell’angolo di visione, comprese le prospettive da cui i moduli solari sono appena visibili.
Progetto pionieristico per una facciata solare parametrizzata
L’azienda di lavorazione dei metalli a Bad Rappenau vicino a Heilbronn ha ampliato la propria sede con un nuovo edificio per uffici e una caffetteria nel 2020. Originariamente era stato progettato per avere pannelli di rivestimento composito in alluminio liscio prodotti dall’azienda stessa. Disponeva di un impianto fotovoltaico da 8 kWp sul tetto.
Il team di ricerca si è basato sul progetto dell’edificio finalizzato e sulla sua soluzione per i vuoti. Ha inoltre sviluppato una facciata solare 3D specifica per le facciate sud e ovest , le più esposte e non ombreggiate. Il lavoro faceva parte del progetto di ricerca Solar.shell Transfer, che è finanziato dall’Istituto federale per la ricerca edilizia, gli affari urbani e lo sviluppo territoriale (BBSR) nell’ambito del suo programma di innovazione “Zukunft Bau” e cerca di utilizzare concretamente il risultati di un progetto precedente Solar.shell.
Utilizzando il software CAD Rhinoceros e il plug-in Grasshopper, i progettisti hanno ottimizzato la geometria della facciata in base all’orientamento solare e ridotto l’effetto di auto-ombreggiamento dei moduli. La geometria finale è stata trasferita automaticamente in forma digitale per lavorare i pannelli compositi in alluminio.
La facciata sud ha una geometria diversa dalla facciata ovest. La superficie solare attiva sul lato sud è pari al 37% della superficie totale (finestre escluse). Sulla facciata ovest la cifra è del 20%. Ciò offre al progettista la libertà di reagire in base all’ambiente dell’edificio con altri materiali di facciata, in questo caso il volume occupato dai locali di produzione rivestiti con pannelli compositi in alluminio bianco.
Costruzione e omologazione
Solar.shell è una facciata ventilata sospesa. Le cassette in lamiera piegata tridimensionalmente, realizzate con pannelli compositi con anima in polimero di alluminio da 4 mm, sono sospese da una sottostruttura in alluminio standard. La lavorazione su un solo lato consente di piegare facilmente i pannelli a mano per formare forme complesse. Queste unità hanno un’apertura in cui i moduli solari in lastre di vetro sono montati in un telaio angolare in alluminio.
L’Ufficio statale per l’edilizia di Tubinga (LfB) ha rilasciato un’autorizzazione di progetto combinata (ZiE) e un permesso tecnico di costruzione (vBG) per la progettazione. Lo ZiE era richiesto per i moduli solari perché erano considerati prodotti elettrici e non da costruzione. Il vBG si applica all’incollaggio di moduli solari in lastre di vetro, poiché non sono fissati meccanicamente.
Piccoli moduli, facciate solari ad alte prestazioni
A causa delle diverse geometrie, i 153 moduli fotovoltaici sul lato ovest misurano ciascuno 212 × 820 mm. I 201 moduli sulla facciata sud sono leggermente più larghi con 212 × 1.380 mm. Le semicelle di silicio nei moduli raggiungono un’efficienza del 20%. Le facciate sud e ovest con una capacità totale di 10 kW p hanno una potenza standard prevista di 7.070 kWh all’anno. Con il 30% dell’intera superficie fotovoltaica, la facciata ovest contribuisce per il 18% al rendimento totale.
L’analisi dell’andamento dei primi sei mesi di esercizio da febbraio 2022 conferma i valori calcolati. Le facciate solari coprono in media il 14% dell’attuale fabbisogno elettrico dell’edificio. Questo comprende una pompa di calore e una wallbox per la ricarica dei veicoli elettrici aziendali. L’elevata percentuale di autoconsumo (94%) dell’elettricità solare generata e il fatto che la facciata ovest generi la sua elettricità nel pomeriggio – al di fuori delle ore in cui la maggior parte dell’energia solare viene immessa in rete – consentono il funzionamento in servizio di rete senza necessità di accumulo in batteria.
Potenziale di ottimizzazione
Il costo totale della facciata solare completata a Bad Rappenau è ancora ben al di sopra di un livello competitivo. Tuttavia, il costo di una facciata di prova con geometria di base e densità di unità fotovoltaiche simili, costruita contemporaneamente presso 3A Composites a Singen, è stato dimezzato adottando un metodo semplificato per la produzione delle cassette e un sistema a clip per installare il fotovoltaico moduli.
Il tempo necessario per ottenere le necessarie autorizzazioni aggiuntive ha reso impossibile l’utilizzo di questo ulteriore sviluppo del sistema a Bad Rappenau. Tuttavia, i costi totali delle facciate solari ventilate sospese in futuro saranno paragonabili alle facciate di alta qualità attualmente sul mercato”.
