Studio, progettazione e modellazione di un sistema fotovoltaico innovativo integrato nell'involucro edilizio

The aim of this paper is to investigate the worldwide scenario of buildings’ envelopes able to generate energy using renewable energy sources in order to design a solar panel with increased performances. First of all there is a state-of-art review about Zero Energy Building to define the common features of the design strategies for the envelope and for the MEP to reduce energy consumptions to the smallest possible quantity. Then the research focuses on an exhaustive technical review of the different types of building envelope components using active or passive energy efficient strategies to improve energy efficiency of buildings. In this part, both common envelope components and recent developments, like prototypes, are involved. In order to have a complete point of view about new technologies, smart materials are also investigated. The last part of the paper is about the design process whose target is a sustainable, self-moving (without electric devices), high-performance solar panel. To reach these goals, solar cells are installed on sheets of hydromorphic materials, i.e. natural materials which respond to changes in environmental humidity by modifying their curvature. So in the winter period, when humidity is high and the hydromorphic sheets have low values of curvature, solar cells are almost vertical and they can receive sunlight in a proper way since the solar elevation angle is low. Otherwise in the summer period, when humidity is lower and the hydromorphic sheets have high values of curvature, solar cells can receive sunlight in a proper way since the solar elevation angle is high. These cells and sheets are installed on a wood frame to create modular panels used as a façade cladding system, as sun-shades or as street furniture. To characterize the component from a performances point of view, the following check-list is verified: •Analysis of the energy production during a year in every configuration of curvature •Service life of wood in outdoor applications •Carbon footprint and embodied energy of the life cycle of every material used •Cost analysis •Production time analysis

Il presente elaborato ha come oggetto le soluzioni integrate involucro edilizio – sistemi impiantistici ad alte prestazioni per edifici a basso consumo e ha come obiettivo la progettazione di una soluzione di facciata in grado di sfruttare le fonti di energia rinnovabile che vinca i principali limiti della soluzioni esistenti e ne potenzi i punti di forza. Il punto di partenza è stato l’analisi dello stato dell’arte in materia di Zero Energy Building al fine di individuare quali siano i criteri progettuali e le soluzioni tecniche adottate per ottenere edifici a bassissimo fabbisogno energetico. Successivamente si investiga la attuale concezione di involucro edilizio e si analizzano, dal punto di vista tipologico, funzionale e prestazionale, le tipologie di involucro che contribuiscono al contenimento dei consumi energetici in modo attivo e passivo. La ricerca coinvolgerà soluzioni di facciata via via più innovative delle quali si mettono in evidenza i punti di forza e di debolezza. La ricerca bibliografica si conclude con l’analisi delle principali tipologie di smart materials, in modo da avere una visione completa delle nuove tecnologie disponibili. La quarta e ultima parte dell’elaborato oggetto di questa trattazione riguarda il processo progettuale che si basa sulla volontà di proporre un componente di facciata di nuova concezione la cui tecnologia si basi però su tecnologie impiantistiche con un know-how consolidato. Partendo dunque dalla tecnologia del fotovoltaico, sapendo che il suo rendimento di produzione è influenzato dalla direzione dei raggi solari rispetto all’inclinazione della superficie di captazione, si vuole realizzare un pannello in grado di orientarsi in modo quanto più perpendicolare possibile ai raggi solari, sfruttando però un sistema di movimentazione che sia azionato da meccanismi naturali. Per fare ciò vengono utilizzati gli hydromorphic materials, ossia un materiale composito, formato da due lamelle in legno ricavate da diverse tipologie di taglio del tronco e assemblate tra loro, che sfruttando i diversi coefficienti di dilatazione di questi due strati, è in grado di inflettersi in funzione della temperatura e dell’umidità relativa dell’ambiente esterno. È così possibile realizzare un sistema di lamelle mobili che, in condizioni di elevata umidità relativa e bassa temperatura, ossia durante l’inverno, si distendono diventando quasi perpendicolari al suolo, in modo da captare al meglio i raggi con bassa declinazione. Al contrario, in condizioni di medio-bassa umidità relativa e temperatura medio-alta, ossia durante il periodo estivo, aumentano la loro curvatura, inclinandosi rispetto alla verticale e captando i raggi più perpendicolari al suolo. Queste lamelle mobili vengono installate su supporti in legno per creare dei pannelli modulari che possono essere usati sia come rivestimento di facciata, sia come schermature solari, sia come arredo urbano. Per caratterizzare il componente dal punto di vista prestazionale si calcola l’energia ottenibile durante un anno solare nelle varie configurazioni di curvatura delle lamelle, si verifica che la durabilità del legno non trattato sia tale da rendere la realizzazione del componente economicamente sostenibile e che il fabbisogno di energia e le emissioni di CO2 del processo produttivo siano tali da rendere la realizzazione del componente sostenibile anche a livello ambientale. Infine si conduce una stima dei tempi e dei costi di realizzazione.