Integration of photovoltaics in the urban built environment

Abstract

The continuously developing market of BIPV and BAPV systems and the remarkable diffusion of solar PV energy in the building sector affected and determined the main scope of the present Dissertation. The primary objective concerned the generation and direct application of a comprehensive methodology which aims at evaluating the PV potential in the urban built environment, and particularly in the residential multifamily (MF) building stock. The proposed assessment model included all aspects of utilizing this solar technology in existing urban areas. There are multiple parameters that can define the degree of suitability, feasibility and viability of PVs in the built environment. These are associated with architectural, technical, legislative, energy efficiency, socioeconomic and last but not least ecological design variants. The proposed methodological approach introduced a tool which efficiently incorporates all the above, allowing for an integrated evaluation of PV potential both on the building unit level as well as the large-scale urban level. Ultimately, the methodology was successfully implemented for the urban area of the second largest city of Greece, Thessaloniki, by means of Geographical Information Systems and Remote Sensing. The produced outcomes focused on PV diffusion in existing urban built regions in Greece, as they can contribute on the one hand to the improvement of the associated PV diffusion policies in the building sector and on the other hand to the formulation of new design practices for typical residential buildings so as to ensure a future harmonic and efficient PV integration. Furthermore, they can aid urban planners with the introduction of more effective sustainable strategies for new built areas. Secondary goals within the present scientific research referred to the completion of a thorough assessment of the Greek policy scheme for PVs since 2006, when FiT system was established for first time in the country. Besides, for the purposes of applying the proposed evaluation model of PV potential in a typical city of Greece, two algorithms were generated so as to estimate PV capacities on available building surfaces with satisfactory accuracy. These was combined with the determination of typical PV installations on the Greek residential building stock from architectural and technical aspects and a thorough statistical analysis of real shading calculation measurements in a vast building sample. The models were applied utilizing both Geographical Information Systems and Remote Sensing capabilities. Finally, the PVs’ energy performance was studied along with a typical classification of residential MF buildings that conducted in advance. Two major outcomes were derived by using dynamic energy simulation tools; the impact of PVs on the energy behaviour of residential buildings in Greece as well as the potential final and primary energy savings and CO2 emission reductions that can be achieved with PV utilization in the urban built environment.

Στα πλαίσια της παρούσας διατριβής αναπτύχθηκε ένα ολοκληρωμένο μοντέλο αξιολόγησης των φωτοβολταϊκών συστημάτων στο δομημένο αστικό περιβάλλον, το οποίο περιλαμβάνει δύο στάδια αξιολόγησης των συστημάτων αυτών στο κτιριακό απόθεμα. Το πρώτο υλοποιείται σε επίπεδο κτιρίου. Στο δεύτερο τα αποτελέσματα ανάγονται σε μεγαλύτερη κλίμακα και πιο συγκεκριμένα σε κλίμακα τυπικού αστικού κέντρου. Δεδομένου ότι τα αστικά κέντρα στην Ελλάδα αποτελούνται κατά κύριο ποσοστό από κτίρια με χρήση κατοικίας, το μοντέλο αυτό διαμορφώθηκε ειδικότερα για κτίρια πολυκατοικιών. Στα πλαίσια του πρώτου σταδίου της μεθοδολογίας μελετάται αρχικά το υφιστάμενο δυναμικό των φωτοβολταϊκών συστημάτων στα κτίρια πολυκατοικιών. Για αυτό το σκοπό αναπτύχθηκαν δύο μοντέλα υπολογισμού των κατάλληλων επιφανειών στα δώματα και τις προσόψεις των κτιρίων, λαμβάνοντας υπόψη τα αρχιτεκτονικά χαρακτηριστικά τυπικών χρονολογικών κλάσεων πολυκατοικιών και τα προβλήματα σκίασης που προκύπτουν από το ίδιο το κτίριο αλλά και το περιβάλλοντα αστικό χώρο. Στη συνέχεια του πρώτου σταδίου της μεθοδολογίας και για τα κτίρια που κρίνονται κατάλληλα και εκτιμάται το δυναμικό τους σε φωτοβολταϊκές εγκαταστάσεις, αναπτύχθηκε ένα αριθμητικό μοντέλο το οποίο παρέχει μία ολοκληρωμένη αποτίμηση των φωτοβολταϊκών συστημάτων αξιολογώντας συγκεκριμένα κριτήρια. Αυτά τα κριτήρια σχετίζονται από τη μία πλευρά με την προοπτική εγκατάστασης των εκτιμώμενων συστημάτων, η οποία επηρεάζεται από τα κοινωνικά και οικονομικά χαρακτηριστικά των υποψήφιων επενδυτών, καθώς και τα χαρακτηριστικά λειτουργίας των κτιρίων. Από την άλλη, η αξιολόγηση ολοκληρώνεται με βάση το ποσοστό εξοικονόμησης τελικής και πρωτογενούς ενέργειας που δύναται να επιτευχθεί με τη χρήση των φωτοβολταϊκών, συμπεριλαμβάνοντας και την οικονομική σκοπιμότητά τους στην τελική αποτίμηση. Για την αντικειμενικότερη αξιολόγηση, εκτιμήθηκε και λήφθηκε υπόψη η επίδραση των φωτοβολταϊκών συστημάτων στην ενεργειακή συμπεριφορά των κτιρίων πολυκατοικιών με την χρήση δυναμικής ενεργειακής προσομοίωσης.Στο δεύτερο στάδιο της μεθοδολογίας προβλέπεται η σύνδεση των αποτελεσμάτων της αξιολόγησης από το επίπεδο του κτιρίου στο επίπεδο του κτιριακού αποθέματος, αναγνωρίζοντας τις τυπικές χρονολογικές κλάσεις των κτιρίων στον αστικό ιστό. Ταυτόχρονα εκτιμώνται οι κατάλληλες επιφάνειες των κτιρίων για την εγκατάσταση φωτοβολταϊκών αξιοποιώντας τα προαναφερόμενα μοντέλα και τις δυνατότητες της τηλεπισκόπησης για την αναγνώριση αντικειμένων σε διαθέσιμες δορυφορικές εικόνες. Το μοντέλο αξιολόγησης, τέλος, εφαρμόστηκε επιτυχώς για το πολεοδομικό συγκρότημα της Θεσσαλονίκης, και πιο συγκεκριμένα στους Δήμους Θεσσαλονίκης και Καλαμαριάς, με τη χρήση των Γεωγραφικών Συστημάτων Πληροφοριών.Συμπερασματικά, το μοντέλο που αναπτύχθηκε αποτελεί ένα χρηστικό και πολύτιμο εργαλείο, το οποίο δίνει τη δυνατότητα ταύτισης των καταλληλότερων κτιρίων για εγκατάσταση φωτοβολταϊκών, με βάση τα κοινωνικά και λειτουργικά χαρακτηριστικά των κτιρίων, το βαθμό επίτευξης εξοικονόμησης ενέργειας και την οικονομική βιωσιμότητα των συστημάτων. Υπό αυτήν την έννοια, το μοντέλο έχει άμεση εφαρμοσημότητα για τυπικές πόλεις της Ελλάδας αλλά και τη δυνατότητα εισαγωγής του σαν εφαρμογή σε διαδικτυακά Γεωγραφικά Συστήματα Πληροφοριών των αστικών κέντρων. Κατ’ επέκταση, με την αποτίμηση του ρεαλιστικού δυναμικού των φωτοβολταϊκών συστημάτων σε επίπεδο κτιρίου αλλά και σε επίπεδο αστικών κέντρων, δύναται να βελτιωθεί η ενεργειακή πολιτική ανάπτυξης των φωτοβολταϊκών στον κτιριακό τομέα της Ελλάδας. Τέλος, το μοντέλο είναι δυναμικό, παρέχοντας τη δυνατότητα στο χρήστη να τροποποιήσει τα κριτήρια και την αντίστοιχη βαθμονόμησή τους, ενώ δύναται να τροποποιηθεί και για κτίρια του τριτογενή τομέα.