Analisi e modellazione del test SBI di reazione al fuoco di un pannello solare fotovoltaico

The goal of this thesis is the analysis and modeling of an SBI test conducted on a photovoltaic solar panel. Up to now there isn't in Italy a well established reference or code for the evaluation of the fire reaction of a PV panel installed on roofs, for this reason the FireLab of the Energy Department of Politecnico di Milano, in collaboration with R.S.E. S.P.A., has tested the application of the SBI test, as described by UNI EN 13823, on a PV module. This standard covers construction materials, so that tests are carried out in order to define a proper evaluation procedure for the panels. The operating procedure of the test involves the installation of the module in a vertical position in the fire room, with the back side exposed to the flame, but the modules installed on a roof are tilted. This fact underlines the need of an improvement of the test procedure for a better assessment of the fire reaction, or the establishment of a new one. Experimental tests are very expensive and field measuraments are so challenging so we decided to support the experimental work with a CFD modeling of the SBI test. The numerical study allows us to obtain and represent the evolution of the main physical quantities, for example, it is possible to obtain the temperature trend on the panel surface, that is difficult to measure directly because of the destructive nature of a fire. This work proposes a first CFD model representative of the tests, developed as a result of the characterization of the materials that make up the panel. Ethylene vinyl acetate is found to be the main reactive component, because it pyrolyzes approximately at 500 K, producing gases, among which the most important is acetic acid. The fluid dynamic simulations were performed with the solver fireFoam of the software OpenFoam and have produced results in agreement with those obtained by the SBI test, regarding the time trend and the order of magnitude of the HRR. This will help to develop, in the future, a more complete model, in particular about the chemical behaviour led by the pyrolysis process. Moreover, the model could be adapted to various scenarios that may occur on a building's roof where there is a PV system. In addition, the study has allowed a better understanding of fire resistance of the materials that make up the panel, providing useful information for the design phase, from a fire saefty point of view.

Lo scopo di questo lavoro di tesi è l'analisi e la modellazione di un test SBI condotto su un pannello solare fotovoltaico. Non esiste, ad oggi in Italia, una normativa univoca per la valutazione della reazione al fuoco di un pannello installato su tetti di edifici, per questo presso il FireLab del Dipartimento dell'Energia del Politecnico di Milano, in collaborazione con R.S.E. S.P.A., si è sperimentata l'applicazione dei test SBI, descritti dalla normativa UNI EN 13823, ai moduli fotovoltaici. Tale normativa riguarda i materiali da costruzione, quindi i test sono stati svolti al fine di definire una corretta procedura di valutazione per i pannelli. La procedura operativa del test prevede l'installazione del modulo nella camera fuoco in posizione verticale, con lato posteriore esposto alla fiamma, che non rappresenta la condizione operativa del modulo sul tetto, che prevede un angolo di inclinazione. Questo conferma la necessità di stesura di una procedura standardizzata per la valutazione della reazione al fuoco di un modulo PV, anche attraverso l'adeguamento di una normativa già esistente. L'esecuzione di altri test e campagne di acquisizione dati sarebbe oneroso in termini di tempo e denaro, per questo si è pensato di affiancare al lavoro sperimentale una modellazione CFD del test SBI. Essa permette di ottenere una rappresentazione dell'evoluzione delle principali grandezze fisiche durante una prova, e, ad esempio, permette di ricostruire l'andamento della temperatura raggiunta dal pannello, di difficile misurazione a causa della natura distruttiva del fenomeno di combustione. Questo lavoro propone un primo modello CFD rappresentativo dei test, sviluppato a seguito della caratterizzazione dei materiali che compongono il pannello. Tra questi, il più sensibile alla reazione al fuoco è risultato essere l'etilene vinil acetato, perché raggiunti i 500 K circa, pirolizza producendo gas volatili, tra i quali il più importante è l'acido acetico. Le simulazioni fluidodinamiche sono state eseguite con il solver fireFoam del software OpenFoam e hanno prodotto risultati concordi con quelli ottenuti dai test SBI per quanto riguarda l'andamento nel tempo e l'ordine di grandezza della curva dell'HRR. Ciò permetterà di sviluppare in futuro un modello più completo, anche sotto gli aspetti chimici, adattabile a vari scenari che si possono verificare sui tetti di edifici in cui è presente la tecnologia fotovoltaica. Inoltre, lo studio condotto ha permesso una miglior comprensione della reazione al fuoco dei materiali che compongono il pannello, fornendo informazioni utili anche per la fase di progettazione, sempre nell'ottica della prevenzione antincendio.