Architecture and energy performance of envelopes with Building Integrated Photovoltaics (BIPVs), in Greece

Abstract

Τhe National Renewable Energy Laboratory (NREL), which is the U.S. Department of Energy's primary national laboratory for energy systems, has calculated that “more energy from the Sun falls on the Earth in one hour, than is used by everyone in the whole world, in one year”. The global population has already exceeded 8 billion, while at the same time our energy demands increase on a steady rate, especially within urban areas. This urgent need, could make solar the fastest-growing renewable technology, towards replacing fossil fuels. Despite today’s energy scenario, it is estimated that over the next 30 years the Sun will provide at least 25% of the global energy requirements. The EU set an interim target of 55% emission reduction by 2030 and “zero net emissions by 2050”. In 2023, the Parliament backed a deal to boost renewable energy. The goal is to increase EU’s final renewable energy consumption to 42.5% by 2030, while individual countries should aim for 45%. Greece is a country with high insolation averages, so photovoltaic (PV) technology could provide carbon-free electricity for all building typologies. Therefore, it is important to explore the potential of energy performance of envelopes with BIPVs, in the built environment. Nowadays, the demand for energy efficient buildings is higher than ever, in order to reduce energy consumption, running costs and CO2 emissions. Designing an energy efficient building is a task which requires the combined forces of a multidisciplinary team. The architect’s contribution is vital, but the addition of energy generating features, such as photovoltaics, brings performance alongside the design process. With Greece as a focal point, this thesis investigates the potential of the photovoltaic (PV) technology, as an alternative to fossil fuels. Building Integrated Photovoltaics (BIPVs) replace conventional construction materials on the building’s envelope, as a principal or secondary source of electrical power. It explains the technical and technological aspects of PV components and presents good practice examples, in order to prove their ability to perform. But mostly, this thesis aims to become a guide for architects, providing them with the necessary tools to successfully integrate PVs in building envelopes. The analysis of case studies is essential to present photovoltaic systems, which have been successfully integrated into the built environment. Working drawings, in the form of cross-sections, depict a clear appreciation of the materiality of a building envelope and can function as a solar energy generator, with integrated photovoltaic products. Architects need to be aware of the available products, relevant technologies and development processes, to integrate PVs into building envelopes, with architectural criteria. The missing element in the design process, is an efficient tool that will allow architects to calculate the energy performance of envelopes with BIPVs. The new “BIPV-PC” is an architect-oriented tool, which has been developed alongside the thesis, for calculating the energy output and environmental performance of PV systems, as well as all the basic financial parameters, during the early stages of the design (concept). The deployment of this tool saves time and money, assisting towards the creation of “Zero-Energy Buildings” and ensures compliance with the current EU legislation.

Το Εθνικό Εργαστήριο Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (NREL), με έδρα τις Η.Π.Α., έχει υπολογίσει ότι «η ηλιακή ενέργεια που φτάνει στη Γη από τον Ήλιο μέσα σε μία μόλις ώρα, υπερκαλύπτει το σύνολο της κατανάλωσης ηλεκτρικού ρεύματος του πλανήτη, για ένα έτος». Ο παγκόσμιος πληθυσμός ήδη ξεπέρασε τα 8 δισ., ενώ παράλληλα οι ανάγκες για ηλεκτροδότηση, ειδικά εντός των δομημένων περιοχών αυξάνονται κι αυτές με σταθερό ρυθμό. Ήταν λοιπόν επόμενο, πως η κάλυψη των ενεργειακών αναγκών με ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (ΑΠΕ), έχει καταστήσει τα φωτοβολταϊκά συστήματα την ταχύτερα αναπτυσσόμενη τεχνολογία μεταξύ των ΑΠΕ, ως εναλλακτική λύση στη χρήση ορυκτών καυσίμων. Παρά το τρέχον δυσχερές ενεργειακό σενάριο, που οδήγησε πολλά νοικοκυριά και επιχειρήσεις σε ενεργειακή ένδεια, εκτιμάται ότι μέσα στα επόμενα 30 χρόνια, ο Ήλιος θα καλύπτει τουλάχιστον το 25% των παγκόσμιων ενεργειακών απαιτήσεων. Η ΕΕ έθεσε έναν ενδιάμεσο στόχο μείωσης των εκπομπών άνθρακα κατά 55% έως το έτος 2030 και μηδενικών εκπομπών έως το 2050. Επιπρόσθετα (το 2023), το Ευρωπαϊκό Κοινοβούλιο υποστήριξε μια συμφωνία για την ενίσχυση των ΑΠΕ. Στόχος της πολιτικής αυτής είναι η αύξηση της κατανάλωσης ενέργειας από ΑΠΕ στις χώρες της ΕΕ στο 42,5% έως το 2030, ενώ παράλληλα οι επιμέρους χώρες θα πρέπει να στοχεύσουν στο 45%. Η Ελλάδα είναι μια χώρα με υψηλό μέσο όρο προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας, επομένως η φωτοβολταϊκή τεχνολογία θα μπορούσε να εξασφαλίσει την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας με μηδενικές εκπομπές άνθρακα, για όλες τις τυπολογίες κτιρίων, εντός και εκτός δομημένων περιοχών. Σήμερα, η ανάγκη για τη δημιουργία κτιρίων με μηδενικό ενεργειακό αποτύπωμα είναι υψηλότερη από ποτέ, προκειμένου να μειωθεί η ενεργειακή κατανάλωση, το κόστος λειτουργίας και οι εκπομπές CO2. Ο σχεδιασμός ενός τέτοιου κτιρίου είναι ένα έργο που αναμφίβολα απαιτεί τις συνδυασμένες δυνάμεις μιας διεπιστημονικής ομάδας. Αυτό όμως αποτελεί μια χρονοβόρα διαδικασία, ενώ η συμβολή του αρχιτέκτονα είναι ζωτικής σημασίας, αφού αυτός καλείται να βρει τη χρυσή τομή μεταξύ του πρακτικού σχεδιασμού και της ενεργειακής αποδοτικότητας. Με επίκεντρο την Ελλάδα, είναι απαραίτητο να διερευνηθεί η ενεργειακή απόδοση των κτιριακών κελυφών με ενσωματωμένα φωτοβολταϊκά συστήματα (BIPVs), ειδικά στο δομημένο περιβάλλον, όπου η εφαρμογή είναι πιο δύσκολη λόγω του μεγάλου αριθμού υφιστάμενων κτιρίων. Η παρούσα διατριβή διερευνά τις δυνατότητες και τις επιλογές ενσωμάτωσης της φωτοβολταϊκής τεχνολογίας σε κελύφη κτιρίων, αντικαθιστώντας τα συμβατικά δομικά υλικά, ως κύρια ή δευτερεύουσα πηγή παροχής ηλεκτρικής ενέργειας. Επεξηγεί τα τεχνικά και τεχνολογικά χαρακτηριστικά τους και παρουσιάζει παραδείγματα καλών πρακτικών, προκειμένου να αποδείξει την ικανότητά τους να λειτουργούν απρόσκοπτα. Κυρίως όμως, η παρούσα διατριβή φιλοδοξεί να αποτελέσει χρήσιμο οδηγό για τους αρχιτέκτονες, παρέχοντάς τους τα απαραίτητα εργαλεία για την επιτυχή ενσωμάτωση των προϊόντων φωτοβολταϊκής τεχνολογίας στα κελύφη των κτιρίων. Η μελέτη παραδειγμάτων κτιρίων (case studies) που πέτυχαν τη βέλτιστη ενεργειακή αποτελεσματικότητα, καθώς και μια σειρά από λεπτομερή κατασκευαστικά σχέδια ενσωμάτωσης φωτοβολταϊκών συστημάτων και προϊόντων σε κελύφη κτιρίων, που δημιουργήθηκαν με τη χρήση CAD, βοηθούν περαιτέρω στην κατανόηση της ενσωμάτωσης, με αρχιτεκτονικά κριτήρια.Βαρύνουσας σημασίας τροχοπέδη στον αρχιτέκτονα, που ενδιαφέρεται για την ενσωμάτωση φωτοβολταϊκών συστημάτων στα κελύφη των κτιρίων που σχεδιάζει, αποτελούσε ανέκαθεν η απουσία ενός εύχρηστου και αποτελεσματικού εργαλείου, το οποίο θα του δώσει τη δυνατότητα υπολογίζει την ενεργειακή τους αποτελεσματικότητα. Το «BIPV-PC» είναι ένα νέο εργαλείο, που δημιουργήθηκε στα πλαίσια της εκπόνησης της παρούσας διατριβής, κι είναι προσανατολισμένο στον αρχιτέκτονα. Παρέχει τη δυνατότητα υπολογισμού της ενεργειακής και περιβαλλοντικής αποδοτικότητας, καθώς και του χρόνου απόσβεσης της εγκατάστασης, από τα πρώτα κιόλας στάδια του σχεδιασμού. Με τη χρήση αυτού του εργαλείου εξοικονομείται χρόνος και πόροι, με σκοπό τη δημιουργία περισσότερων κτιρίων με μηδενικό ενεργειακό αποτύπωμα, διασφαλίζοντας έτσι ταχύτερα τη συμμόρφωση με την ισχύουσα νομοθεσία της ΕΕ.