Integral energy behaviour of photovoltaic semi-transparent glazing elements for building integration

La hipótesis general que esta tesis quiere demostrar es que la integración arquitectónica de sistemas fotovoltaicos semitransparentes (STPV) puede contribuir a mejorar la eficiencia energética de los edificios. Por lo tanto, la investigación se centra en el desarrollo de una metodología capaz de cuantificar la reducción de la demanda energética del edificio proporcionada por estas novedosas soluciones constructivas. Al mismo tiempo, los parámetros de diseño de las soluciones STPV se han analizado para establecer cuales presentan el mayor impacto sobre el balance energético global del edificio y por lo tanto tienen que ser cuidadosamente definidos a la hora de optimizar el comportamiento energético del mismo. A la luz de estos objetivos, la metodología de estudio se ha centrado en tres puntos principales:  Caracterizar el comportamiento energético global de sistemas STPV en condiciones de operación realistas, similares a las que se darían en un sistema real;  Caracterizar el comportamiento energético global de sistemas STPV en condiciones controladas, con el objetivo de estudiar la variación del comportamiento del los elementos en función de parámetro de diseño y operación;  Evaluar el potencial de ahorro energético global de los sistemas STPV en comparación con soluciones acristaladas convencionales al variar de las condiciones de contorno constituidas por los parámetros de diseño (como el grado de transparencia), las características arquitectónicas (como el ratio entre superficie acristalada y superficie opaca en la fachada del edificio) y las condiciones climáticas (cubriendo en particular la climatología europea). En síntesis, este trabajo intenta contribuir a comprender la interacción que existe entre los sistemas STPV y el edificio, proporcionando tanto a los fabricantes de los componentes como a los profesionales de la construcción información valiosa sobre el potencial de ahorro energético asociado a estos nuevos sistemas constructivos. Asimismo el estudio define los parámetros de diseño adecuados para lograr soluciones eficientes tanto en proyectos nuevos como de rehabilitación. ABSTRACT The general hypothesis this work seeks to demonstrate is that the architectural integration of Semi-Transparent Photovoltaic (STPV) systems can contribute to improving the energy efficiency of buildings. Accordingly, the research has focused on developing a methodology able to quantify the building energy demand reduction provided by these novel constructive solutions. At the same time, the design parameters of the STPV solution have been analysed to establish which of them have the greatest impact on the global energy balance of the building, and therefore which have to be carefully defined in order to optimize the building operation. In the light of these goals, the study methodology has focused on three main points:  To characterise the global energy behaviour of STPV systems in realistic operating conditions, similar to those in which a real system will operate;  To characterise the global energy behaviour of STPV systems in controlled conditions in order to study how the performance varies depending on the design and operating parameters;  To assess the global energy saving potential of STPV systems in comparison with conventional glazing solutions by varying the boundary conditions, including design parameters (such as the degree of transparency), architectural characteristics (such as the Window to Wall Ratio) and climatic conditions (covering the European climatic conditions). In summary, this work has sought to contribute to the understanding of the interaction between STPV systems and the building, providing both components manufacturers and construction technicians, valuable information on the energy savings potential of these new construction systems and defining the appropriate design parameters to achieve efficient solutions in both new and retrofitting projects.

Aplicaciones industriales para la construcción de estructuras laminares metálicas

El ánimo de superación y consecución de nuevos logros es una constante a lo largo de la historia arquitectura y la ingeniería. La construcción de estructuras cada vez más audaces, ligeras y esbeltas es un buen ejemplo de esta superación, pero este camino no está únicamente ligado a la consecución de nuevas formas estructurales y arquitectónicas, sino también a la búsqueda de una mayor economía de medios y materiales en su construcción, y el caso particular de las estructuras laminares metálicas no es una excepción. La presente tesis doctoral aborda el campo de las láminas de entramado desde una nueva perspectiva: la relación existente entre la introducción de una serie de innovaciones tecnológicas en la industria y la evolución formal de esta tipología estructural, tanto en lo que se refiere a la complejidad de las superficies construidas como en lo relativo a la elegancia de las mallas portantes alcanzada. Para ello esta investigación plantea la caracterización y clasificación de los sistemas constructivos prefabricados empleados en la construcción de láminas metálicas de celosía en función de la influencia de la tecnología y los procesos industriales de producción empleados en la fabricación de sus componentes, considerando asimismo las posibilidades formales y estéticas que ofrecen dichos sistemas y el grado de aprovechamiento de material que su diseño y fabricación permiten. Para alcanzar el objetivo propuesto se propone una metodología analítica específica que aborda la caracterización de los diferentes casos no sólo desde un enfoque cualitativo y abstracto, en función de las propiedades de los sistemas, sino que propone el estudio de su aplicación práctica en la realización de estructuras existentes, pudiendo así cuantificar gran parte de los parámetros considerados en la clasificación. Gracias a la aplicación de esta metodología se ha podido establecer la relación inequívoca que existe entre los avances generados por la industria y la evolución formal de las láminas de celosía, gracias a la unión de la innovación tecnológica y el talento creativo de los diseñadores – arquitectos e ingenieros – en la búsqueda de la belleza. Asimismo se han podido determinar cómo, a pesar de los asombrosos avances realizados, aún existen aspectos susceptibles de optimización en el diseño y fabricación de sistemas constructivos prefabricados, proponiendo nuevas vías de investigación que puedan conducir a la obtención de diseños que puedan llevar aún más lejos el desarrollo de esta tipología estructural. ABSTRACT The aim of improvement and the achievement of new goals is a constant process throughout the history of the architecture and engineering. The construction of increasingly daring, light and slender structures is a great example of this surmounting, but this track is not only related to the attainment of new structural and architectural shapes, but also to the pursuit of a higher economy of means and materials in its building process, and the particular case of steel grid shells makes no exception. The present doctoral dissertation addresses the field of lattice shells from a new viewpoint: the existing relationship between the insertion of a number of technological innovations in the industry and the formal evolution of this structural type, either referring to the complexity of the built surfaces as related to the elegance of the achieved load bearing grids. Within this aim this investigation outlines the characterization and classification of the prefabricated building systems used in the construction of steel trussed shells according to the influence of technology and industrial production processes used in its component fabrication, also considering the formal and aesthetic possibilities that the mentioned systems provide and the performance degree of raw material which its design and fabrication makes possible. In order to reach the proposed objective, this work develops an specific methodology which addresses the characterization of the different cases not only from an abstract and qualitative focus, based on the system properties, but also regarding the analysis of their real use in existing structures, being thus capable to quantify most of the parameters which are considered in this classification. By means of this methodology it has been possible to lay down the unambiguous relationship between the advances provided by the industry and the formal evolution of lattice shells, given the combination of technological innovation and the creative talent of designers – architects and engineers – in the pursuit of beauty. Furthermore, it has been determined how, in spite the astonishing advances that have been made, some issues in the design and fabrication of systems are still suitable to be optimized, addressing new research paths which may lead to the achievement of new designs suitable to drive the development of this structural type even further.

Certificación energética mediante la herramienta CE3X y rehabilitación energética de una vivienda unifamiliar

El siguiente proyecto lleva a cabo un estudio sobre la eficiencia energética en una vivienda unifamiliar basándose en la legislación actual europea y española. Para empezar se obtendrá la calificación energética del inmueble mediante el programa informático de la opción simplificada CE3X. A continuación se proporcionará un estudio con las medidas de mejora más adecuadas para mejorar la eficiencia energética de la vivienda, las medidas que se llevarán a cabo serán: la mejora de la envolvente térmica, mejorando el aislamiento de la fachada y la sustitución de ventanas, la instalación de una caldera de biomasa y la instalación de un sistema de colectores solares para cubrir la demanda de calefacción y ACS. Para finalizar se realiza un presupuesto de las medidas de mejoras propuestas, así como un análisis económico y una planificación y programación temporal. ABSTRACT The object of this Project is to carry out a study on the energy efficiency of a single family home in accordance with the present European and Spanish legislation. The first step is to obtain the home energy efficiency by means of a CE3X computer program. The second step is a study with the most appropriate improvement measures is provided in order to improve the home energy efficiency. The measures to be carried out will be as follows: improving the heat insulation, as well as, the facade heat insulation and replacing the windows, installing a biomass heating system and a solar collector in order to satisfy the heating and domestic hot water (DHW) demands. Finally a budget with the proposed improvement measures is made as well as a financial analysis and a time planning and programming of the project.

Sistematización y versatilidad. El ejemplo Inviso-Guardiola

Habitualmente la prefabricación en la construcción residencial se enfrenta a dos problemas: participación de sistemas cerrados (dependencia de patentes/fabricantes) y existencia de una masa crítica mínima a edificar que rentabilice los sobrecostes de fabricación con la reducción de tiempos de ejecución. Nuestro estudio realiza una labor de investigación en sistemas de construcción industrializados abiertos, flexibles, de bajo costo, en propuestas como las aquí presentadas: el CONCURSO INVISO (INdustrialización VIvienda Sostenible_ EMVS/ Instituto_Torroja: 1º_PREMIO) proponía un sistema teórico, abierto, independiente de escala programa o tipología residencial, posteriormente materializado en la CASA GUARDIOLA, aplicación del anterior que recogía sus ideas: una sistematización más conceptual que tecnológica, basada en industrialización abierta (compatible con materiales y elementos de mercado) modulada, flexible, reversible (junta seca con ensambles de tornillería) sistematizada (separación de elementos en respuesta a solicitudes específicas) con limitación dimensional y estructural (sin maquinaria pesada). Esta casa obtuvo el 1º premio VETECO en soluciones de fachada innovadora.

Mejora urbana barrio de Balanza. Contener-Revitalizar

"El proyecto actúa en el corazón del barrio interviniendo en la losa deportiva a través de la mejora de la infraestructura y servicios públicos y en los mímites del asentamiento con un tratamiento de borde. La intervención de losa deportiva supone la culminación del existente ""Eje de la Cultura"". Extiende las zonas verdes, rehabilita la escuela y la sala multiusos relacionándolos y se genera un graderío para el festival de teatro local Fiteca. En los límites del asentamiento se reubican las viviendas poco consolidadas que se encuentran en riesgo tras unaoperación de contención de tierras y aterrazamiento. Las viviendas surgen en torno a una caseta sanitaria semilla, creciendo progresivamente construyéndose por los mismos pobladores. Se aprovechan áreas en desuso para generar accesibilidad y servicios. Elprincipal sistema constructivo empleado es el sitema LOK BILD o TABLIBLOC que se basan en la construcción mediante bloques huecos prefabricados de hormigón."

Muro cortina modular con marco de baja transmitancia térmica integrado en el vidrio aislante a través de adhesivos estructurales = Unitised curtain wall with low thermal transmittance frame integrated within the insulating glass unit through structural adhesives

Los muros cortina modulares están constituidos por paneles prefabricados que se fijan al edificio a través de anclajes a lo largo del borde del forjado. El proceso de prefabricación garantiza buena calidad y control de los acabados y el proceso de instalación es rápido y no requiere andamiaje. Por estas razones su uso está muy extendido en torres. Sin embargo, el diseño de los marcos de aluminio podría ser más eficiente si se aprovechara la rigidez de los vidrios para reducir la profundidad estructural de los montantes. Asimismo, se podrían reducir los puentes térmicos en las juntas si se sustituyeran los marcos por materiales de menor conductividad térmica que el aluminio. Esta investigación persigue desarrollar un muro cortina alternativo que reduzca la profundidad estructural, reduzca la transmisión térmica en las juntas y permita un acabado enrasado al interior, sin que sobresalgan los montantes. La idea consiste en conectar un marco de material compuesto de fibra de vidrio a lo largo del borde del vidrio aislante a través de adhesivos estructurales para así movilizar una acción estructural compuesta entre los dos vidrios y lograr una baja transmitancia térmica. El marco ha de estar integrado en la profundidad del vidrio aislante. En una primera fase se han efectuado cálculos estructurales y térmicos preliminares para evaluar las prestaciones a un nivel esquemático. Además, se han realizado ensayos a flexión en materiales compuestos de fibra de vidrio y ensayos a cortante en las conexiones adhesivas entre vidrio y material compuesto. Con la información obtenida se ha seleccionado el material del marco y del adhesivo y se han efectuado cambios sobre el diseño original. Los análisis numéricos finales demuestran una reducción de la profundidad estructural de un 80% y una reducción de la transmisión térmica de un 6% en comparación con un sistema convencional tomado como referencia. El sistema propuesto permite obtener acabados enrasados. ABSTRACT Unitised curtain wall systems consist of pre manufactured cladding panels which can be fitted to the building via pre fixed brackets along the edge of the floor slab. They are universally used for high rise buildings because the factory controlled assembly of units ensures high quality and allows fast installation without external access. However, its frame is structurally over-dimensioned because it is designed to carry the full structural load, failing to take advantage of potential composite contribution of glass. Subsequently, it is unnecessarily deep, occupying valuable space, and protrudes to the inside, causing visual disruption. Moreover, it is generally made of high thermal conductivity metal alloys, contributing to substantial thermal transmission at joints. This research aims to develop a novel frame-integrated unitised curtain wall system that will reduce thermal transmission at joints, reduce structural depth significantly and allow an inside flush finish. The idea is to adhesively bond a Fibre Reinforced Polymer (FRP) frame to the edge of the Insulated Glass Unit (IGU), thereby achieving composite structural behaviour and low thermal transmittance. The frame is to fit within the glazing cavity depth. Preliminary analytical structural and numerical thermal calculations are carried out to assess the performance of an initial schematic design. 4-point bending tests on GFRP and single-lap shear tests on bonded connections between GFRP and glass are performed to inform the frame and adhesive material selection process and to characterise these materials. Based on the preliminary calculations and experimental tests, some changes are put into effect to improve the performance of the system and mitigate potential issues. Structural and thermal numerical analysis carried out on the final detail design confirm a reduction of the structural depth to almost one fifth and a reduction of thermal transmission of 6% compared to a benchmark conventional system. A flush glazed appearance both to the inside and the outside are provided while keeping the full functionality of a unitised system.

Detalles geometrales de una mezquita árabe en Sn. Felipe [Material gráfico] = Détails géométraux de l'Arc d'une mosquée arabe à St. Philippe = General deatils of an arabe mosque at St. Philip

Detalles de la fachada, planta y corte transversal

¿Tenía Alejandro de la Sota doble nacionalidad?

Tanto Alejandro de la Sota como Peter Zumthor se han mantenido a una distancia prudencial respecto a las épocas que les ha tocado vivir, compartiendo ambos una elegancia casi estoica que se hace tangible en la levedad de sus obras. En ocasiones se ha calificado a la arquitectura de Alejandro de la Sota como “ligera”. Preferiremos utilizar a partir de ahora el término “leve”. Leve como ausencia de “gravedad”, no solo desde el punto de vista físico y gravitatorio, sino también como aquello que no duele, silencioso, humilde…. Leve porque el proyecto no “carga” con el gesto del autor, porque la relación entre los objetivos y el esfuerzo que supone alcanzarlos resulta coherente. Leve porque se libera del peso de la historia y de los prejuicios, sometiéndose al duro y silencioso ejercicio de “cuestionar” lo que otros han asumido sin más. En los croquis iniciales de Alejandro de la Sota para el Gimnasio Maravillas (1961) y el realizado por Peter Zumthor para la Bruder Klaus Field Chapel (2007) notamos cómo ambos arquitectos se deshacen de sus propios gestos gracias a la construcción. Es ella quien asume la responsabilidad del proyecto. De esta manera “claridad” y “necesidad”, actúan como marcadores de la levedad proyectual. Una agradable sensación de “sin esfuerzo” o “facilidad aparente”, surge cuando recordamos cómo el proyecto para las aulas de la Universidad de Sevilla (1972) se construyó con los planos de concurso (1/100) y las instrucciones sobre cómo se ponían en contacto los elementos constructivos. Paralelamente, esta “prefabricación de ideas” aparece en la Capilla de Alemania, donde tampoco se necesitaron detalles constructivos, únicamente las precisas instrucciones que fueron dictadas por el arquitecto. Detalles como el techo del Gobierno Civil de Tarragona (1954-57) nos llevan a pensar en las soluciones que fijan el vidrio en techos y fachada en el Kunsthaus de Bregenz (1990-97). ¿Conocería Peter Zumthor los escritos de Sota en defensa de lo que el llamaba arquitectura “física” cuando, en el año 2000, diseñó el proyecto para el Pabellón Suizo en la Exposición de Hannover? Alejandro de la Sota no necesita utilizar piedra del lugar para dar al edificio de Correos en León un carácter “imponente”, sólo trabajar la chapa de la manera adecuada. Tampoco Peter Zumthor necesita diseñar un vidrio aposta para la fachada de Bregenz. Es la precisión de ambos arquitectos quien les permite acercarse a un concepto tan “inasible” como el que les pone en relación.

Capella della famiglia Pazzi nel chiostro di Sª. Croce in Firenze, opera del Brunellesco [Material gráfico]

Contiene tres figuras con sendas inscripciones y escalas métricas al pie de cada una: Capella (escala "Metri 4"); Spaccato (escala "Metri 5"); Pianta (escala "Metri 8")

Métodos de análisis para verificar la estabilidad y resistencia de los cerramientos de ladrillo

Se presentan las herramientas y los modelos de análisis disponibles para verificar las condiciones de estabilidad y resistencia de la hoja exterior de los cerramientos de fachada de ladrillo cara vista.

Sistema "Structura" para fachadas de ladrillo cara vista

Sistema constructivo para la hoja exterior de los cerramientos de fachada de ladrillo cara vista, de elevadas prestaciones mecánicas y funcionales, para cumplir los requisitos del Código Técnico de la Edificación.

Fachadas autoportantes de ladrillo cara vista

Sistema constructivo para cerramientos de fachada de ladrillo cara vista, que consiste en construir la hoja exterior tangente a la estructura del edificio gravitando sobre sí misma.

Múnich: reconocimiento de la memoria histórica

El trabajo se ha centrado en la reconstrucción arquitectónica de Munich tras la Segunda Guerra Mundial, para estudiar la aceptación o no del pasado mediante una clasificación de varios ejemplos. Las ruinas de muchos lugares fueron debate fundamental en la reconstrucción, apareciendo distintas y contrarias soluciones. Este debate enfrentó a dos movimientos; la corriente tradicionalista y la modernista. La primera evidenció su rechazo absoluto hacia los acontecimientos recién sucedidos. Arquitectos como Karl Meitinger quisieron borrar el pasado, empleando la recuperación integral de la arquitectura en su estado anterior, sin continuidad temporal en la historia del edificio. La segunda, promovida por arquitectos de la Technische Universität München (TUM) como Hans Döllgast, buscó la lectura completa del edificio, atendiendo a sus diferentes etapas cronológicas, relatando distintos capítulos de la historia y permitiendo que el objeto de trabajo transmita por sí solo el recuerdo, respetando siempre los patrones compositivos del edificio original. Se produjo, por tanto, un borrado de huellas históricas en la recreación de muchos espacios destruidos, pero hubo otros cuyo objetivo fue dar a conocer la historia, aceptando las circunstancias del pasado, recuperándolo en la lectura de una fachada o en los paseos de los espacios públicos, haciendo que la ciudad de Munich se convirtiera en un buen ejemplo de reconstrucción arquitectónica que ha tenido en cuenta el recuerdo, defendiendo que el pasado traído al presente de la obra arquitectónica genera emoción en el espectador

Rehabilitación energética de fachadas: Propuesta metodológica para la evaluación de soluciones innovadoras, basándose en el diagnóstico de viviendas sociales construidas entre 1940 y 1980

Se propone una metodología para la evaluación de soluciones constructivas de fachada para la rehabilitación de viviendas sociales, construidas entre el final de la Guerra Civil y la entrada en vigor de la norma básica NBE-CT-79, sobre condiciones térmicas en edificios. La metodología parte por un lado del análisis del estado actual en las viviendas, y por otro de la caracterización de las soluciones constructivas de rehabilitación, para la evaluación conjunta de las posibles mejoras. Esta evaluación persigue valorar su repercusión en la calidad del ambiente interior, y en la reducción de la demanda energética para acondicionamiento térmico. Se aplica sobre dos viviendas tipo que se han monitorizado en Madrid, utilizando dos soluciones innovadoras para rehabilitación energética, que disponen de documentos de idoneidad DIT y DITE. Una incorpora sobre la fachada tipo un aislamiento por el exterior, y otra incorpora un sistema de fachada ventilada, también sobre esta fachada tipo. El análisis de las viviendas se ha realizado a partir de la toma de datos, ensayos y estudio de detalle, llevados a cabo a lo largo de los años 2014 y 2015. El análisis de los sistemas de fachada se ha realizado a partir de ensayos controlados, comparando los resultados para tres tipos de fachada: una fachada tipo, habitual en la construcción de las viviendas de este periodo, y las dos soluciones innovadoras mencionadas. Una vez realizado el diagnóstico de las viviendas y el análisis de los ensayos de los sistemas constructivos, los resultados obtenidos se utilizan para generar los modelos de simulación sobre los que evaluar las mejoras. El periodo de estudio comprende cuatro décadas que comienzan en 1940, en un momento con escasos medios técnicos para la construcción, y que coincide con el comienzo del crecimiento en las grandes ciudades, y finaliza con la incorporación en la normativa de las exigencias de aislamiento en fachadas, de 1979. En la ciudad de Madrid las viviendas construidas en este periodo, suponen un 45% del total de viviendas censadas en 2011. La rehabilitación energética se ha ido incorporando en los sucesivos planes nacionales de vivienda como actuación protegida, y son muchos y muy diversos los planes de acción desde la administración en materia de vivienda social, tanto a nivel nacional como europeo. La vivienda queda incluida en materia de desarrollo y cohesión urbana, territorial y social, haciendo necesario un enfoque integrado. Los barrios de vivienda social forman parte de un patrimonio construido en los que los criterios de sostenibilidad toman especial interés y relevancia, ya que a través del tiempo se han construido como actores y testigos de su historia social, económica, ambiental y cultural. El diseño de los modelos y actuaciones de futuro se sustenta en la asimilación de esa complejidad y diversidad adquirida. Por otro lado, el actual reto que impone el calentamiento global obliga a plantear escenarios de adaptación y mejora en estos edificios, con una especial atención a la dependencia energética, el consumo de recursos, y emisiones de gases de efecto invernadero. La fachada es el elemento más importante de la envolvente en los edificios multifamiliares, siendo el lugar donde se produce el intercambio entre el ambiente interior y exterior. Su rehabilitación puede mejorar las prestaciones de habitabilidad en las viviendas, y disminuir la demanda de energía para alcanzar unas condiciones de confort estándar. El trabajo de investigación que se ha realizado, forma parte de una linea de investigación abierta sobre sistemas constructivos y habitabilidad en edificación. ABSTRACT A methodology for the evaluation of facade’s constructive solutions for social housing refurbishment, built between the end of the Civil War, and the entry into force of the basic standard NBE-CT-79 on thermal conditions in buildings is proposed. This methodology starts both with the analysis of the current status in dwellings, and with the characterization of rehabilitation’s constructive solutions performance, for the integrated assessment of improvements. The evaluation seeks to assess their impact on the indoor environmental quality, and on reducing the energy demand for thermal conditioning. The methodology is applied to two standard dwellings, that have been monitored in Madrid, with two innovative solutions for energy refurbishment, which have DIT and DITE assessment documents. One incorporates an exterior insulation, and the other incorporates a ventilated facade system. The analysis of the dwellings was made from data collection, testing and detailed study, conducted throughout 2014 and 2015. Analysis of the facade systems was made from controlled trials comparing the results for three types of façade: a standard usual facade common in the construction of this period, and the two innovative solutions mentioned. Based on the diagnosis of housing and systems analysis, the results are used to generate simulation models on which assess the improvements. The study period comprises four decades starting in 1940, at a time with limited technical resources for construction, which coincides with the beginning of growth in big cities, and ends with the incorporation in the 1979 legislation of the façade’s insulation requirements. In the city of Madrid the houses built in this period account for 45% of all households surveyed in 2011. As a “protected action” energy rehabilitation has been incorporated in successive national housing plans, and there are many and very different action plans from the Administration in the field of social housing, both at national and European level. An integrated approach is needed, due to the inclusion of housing in development and urban, territorial and social cohesion. Social housing neighborhoods are part of the built heritage. Sustainability criteria therefore are particularely relevant, since over time they have been built as actors and witnesses of their social, economic, environmental and cultural history. The design and performance of future models is based on the assimilation of this complexity and diversity acquired. On the other hand, the current challenge posed by global warming forces to consider scenarios for adaptation and improvement in these buildings, with particular attention to energy dependence, resource consumption, and greenhouse gas emissions. The facade is the most important element of the envelope in the multi-family buildings, being the place where the exchange occurs between the indoor and outdoor environments. Its rehabilitation can improve wellbeing in housing performance, and reduce energy demand to achieve standard comfort conditions. This research that has been done, is part of an open research line on construction and living conditions in buildings.

Método experimental para la caracterización de las diferentes tecnologías de integración arquitectónica de la energía fotovoltaica en condiciones de funcionamiento real = Experimental method for characterization of several building integrated photovoltaic technologies under real working conditions

Hoy en día, el proceso de un proyecto sostenible persigue realizar edificios de elevadas prestaciones que son, energéticamente eficientes, saludables y económicamente viables utilizando sabiamente recursos renovables para minimizar el impacto sobre el medio ambiente reduciendo, en lo posible, la demanda de energía, lo que se ha convertido, en la última década, en una prioridad. La Directiva 2002/91/CE "Eficiencia Energética de los Edificios" (y actualizaciones posteriores) ha establecido el marco regulatorio general para el cálculo de los requerimientos energéticos mínimos. Desde esa fecha, el objetivo de cumplir con las nuevas directivas y protocolos ha conducido las políticas energéticas de los distintos países en la misma dirección, centrándose en la necesidad de aumentar la eficiencia energética en los edificios, la adopción de medidas para reducir el consumo, y el fomento de la generación de energía a través de fuentes renovables. Los edificios de energía nula o casi nula (ZEB, Zero Energy Buildings ó NZEB, Net Zero Energy Buildings) deberán convertirse en un estándar de la construcción en Europa y con el fin de equilibrar el consumo de energía, además de reducirlo al mínimo, los edificios necesariamente deberán ser autoproductores de energía. Por esta razón, la envolvente del edifico y en particular las fachadas son importantes para el logro de estos objetivos y la tecnología fotovoltaica puede tener un papel preponderante en este reto. Para promover el uso de la tecnología fotovoltaica, diferentes programas de investigación internacionales fomentan y apoyan soluciones para favorecer la integración completa de éstos sistemas como elementos arquitectónicos y constructivos, los sistemas BIPV (Building Integrated Photovoltaic), sobre todo considerando el próximo futuro hacia edificios NZEB. Se ha constatado en este estudio que todavía hay una falta de información útil disponible sobre los sistemas BIPV, a pesar de que el mercado ofrece una interesante gama de soluciones, en algunos aspectos comparables a los sistemas tradicionales de construcción. Pero por el momento, la falta estandarización y de una regulación armonizada, además de la falta de información en las hojas de datos técnicos (todavía no comparables con las mismas que están disponibles para los materiales de construcción), hacen difícil evaluar adecuadamente la conveniencia y factibilidad de utilizar los componentes BIPV como parte integrante de la envolvente del edificio. Organizaciones internacionales están trabajando para establecer las normas adecuadas y procedimientos de prueba y ensayo para comprobar la seguridad, viabilidad y fiabilidad estos sistemas. Sin embargo, hoy en día, no hay reglas específicas para la evaluación y caracterización completa de un componente fotovoltaico de integración arquitectónica de acuerdo con el Reglamento Europeo de Productos de la Construcción, CPR 305/2011. Los productos BIPV, como elementos de construcción, deben cumplir con diferentes aspectos prácticos como resistencia mecánica y la estabilidad; integridad estructural; seguridad de utilización; protección contra el clima (lluvia, nieve, viento, granizo), el fuego y el ruido, aspectos que se han convertido en requisitos esenciales, en la perspectiva de obtener productos ambientalmente sostenibles, saludables, eficientes energéticamente y económicamente asequibles. Por lo tanto, el módulo / sistema BIPV se convierte en una parte multifuncional del edificio no sólo para ser física y técnicamente "integrado", además de ser una oportunidad innovadora del diseño. Las normas IEC, de uso común en Europa para certificar módulos fotovoltaicos -IEC 61215 e IEC 61646 cualificación de diseño y homologación del tipo para módulos fotovoltaicos de uso terrestre, respectivamente para módulos fotovoltaicos de silicio cristalino y de lámina delgada- atestan únicamente la potencia del módulo fotovoltaico y dan fe de su fiabilidad por un período de tiempo definido, certificando una disminución de potencia dentro de unos límites. Existe también un estándar, en parte en desarrollo, el IEC 61853 (“Ensayos de rendimiento de módulos fotovoltaicos y evaluación energética") cuyo objetivo es la búsqueda de procedimientos y metodologías de prueba apropiados para calcular el rendimiento energético de los módulos fotovoltaicos en diferentes condiciones climáticas. Sin embargo, no existen ensayos normalizados en las condiciones específicas de la instalación (p. ej. sistemas BIPV de fachada). Eso significa que es imposible conocer las efectivas prestaciones de estos sistemas y las condiciones ambientales que se generan en el interior del edificio. La potencia nominal de pico Wp, de un módulo fotovoltaico identifica la máxima potencia eléctrica que éste puede generar bajo condiciones estándares de medida (STC: irradición 1000 W/m2, 25 °C de temperatura del módulo y distribución espectral, AM 1,5) caracterizando eléctricamente el módulo PV en condiciones específicas con el fin de poder comparar los diferentes módulos y tecnologías. El vatio pico (Wp por su abreviatura en inglés) es la medida de la potencia nominal del módulo PV y no es suficiente para evaluar el comportamiento y producción del panel en términos de vatios hora en las diferentes condiciones de operación, y tampoco permite predecir con convicción la eficiencia y el comportamiento energético de un determinado módulo en condiciones ambientales y de instalación reales. Un adecuado elemento de integración arquitectónica de fachada, por ejemplo, debería tener en cuenta propiedades térmicas y de aislamiento, factores como la transparencia para permitir ganancias solares o un buen control solar si es necesario, aspectos vinculados y dependientes en gran medida de las condiciones climáticas y del nivel de confort requerido en el edificio, lo que implica una necesidad de adaptación a cada contexto específico para obtener el mejor resultado. Sin embargo, la influencia en condiciones reales de operación de las diferentes soluciones fotovoltaicas de integración, en el consumo de energía del edificio no es fácil de evaluar. Los aspectos térmicos del interior del ambiente o de iluminación, al utilizar módulos BIPV semitransparentes por ejemplo, son aún desconocidos. Como se dijo antes, la utilización de componentes de integración arquitectónica fotovoltaicos y el uso de energía renovable ya es un hecho para producir energía limpia, pero también sería importante conocer su posible contribución para mejorar el confort y la salud de los ocupantes del edificio. Aspectos como el confort, la protección o transmisión de luz natural, el aislamiento térmico, el consumo energético o la generación de energía son aspectos que suelen considerarse independientemente, mientras que todos juntos contribuyen, sin embargo, al balance energético global del edificio. Además, la necesidad de dar prioridad a una orientación determinada del edificio, para alcanzar el mayor beneficio de la producción de energía eléctrica o térmica, en el caso de sistemas activos y pasivos, respectivamente, podría hacer estos últimos incompatibles, pero no necesariamente. Se necesita un enfoque holístico que permita arquitectos e ingenieros implementar sistemas tecnológicos que trabajen en sinergia. Se ha planteado por ello un nuevo concepto: "C-BIPV, elemento fotovoltaico consciente integrado", esto significa necesariamente conocer los efectos positivos o negativos (en términos de confort y de energía) en condiciones reales de funcionamiento e instalación. Propósito de la tesis, método y resultados Los sistemas fotovoltaicos integrados en fachada son a menudo soluciones de vidrio fácilmente integrables, ya que por lo general están hechos a medida. Estos componentes BIPV semitransparentes, integrados en el cerramiento proporcionan iluminación natural y también sombra, lo que evita el sobrecalentamiento en los momentos de excesivo calor, aunque como componente estático, asimismo evitan las posibles contribuciones pasivas de ganancias solares en los meses fríos. Además, la temperatura del módulo varía considerablemente en ciertas circunstancias influenciada por la tecnología fotovoltaica instalada, la radiación solar, el sistema de montaje, la tipología de instalación, falta de ventilación, etc. Este factor, puede suponer un aumento adicional de la carga térmica en el edificio, altamente variable y difícil de cuantificar. Se necesitan, en relación con esto, más conocimientos sobre el confort ambiental interior en los edificios que utilizan tecnologías fotovoltaicas integradas, para abrir de ese modo, una nueva perspectiva de la investigación. Con este fin, se ha diseñado, proyectado y construido una instalación de pruebas al aire libre, el BIPV Env-lab "BIPV Test Laboratory", para la caracterización integral de los diferentes módulos semitransparentes BIPV. Se han definido también el método y el protocolo de ensayos de caracterización en el contexto de un edificio y en condiciones climáticas y de funcionamiento reales. Esto ha sido posible una vez evaluado el estado de la técnica y la investigación, los aspectos que influyen en la integración arquitectónica y los diferentes tipos de integración, después de haber examinado los métodos de ensayo para los componentes de construcción y fotovoltaicos, en condiciones de operación utilizadas hasta ahora. El laboratorio de pruebas experimentales, que consiste en dos habitaciones idénticas a escala real, 1:1, ha sido equipado con sensores y todos los sistemas de monitorización gracias a los cuales es posible obtener datos fiables para evaluar las prestaciones térmicas, de iluminación y el rendimiento eléctrico de los módulos fotovoltaicos. Este laboratorio permite el estudio de tres diferentes aspectos que influencian el confort y consumo de energía del edificio: el confort térmico, lumínico, y el rendimiento energético global (demanda/producción de energía) de los módulos BIPV. Conociendo el balance de energía para cada tecnología solar fotovoltaica experimentada, es posible determinar cuál funciona mejor en cada caso específico. Se ha propuesto una metodología teórica para la evaluación de estos parámetros, definidos en esta tesis como índices o indicadores que consideran cuestiones relacionados con el bienestar, la energía y el rendimiento energético global de los componentes BIPV. Esta metodología considera y tiene en cuenta las normas reglamentarias y estándares existentes para cada aspecto, relacionándolos entre sí. Diferentes módulos BIPV de doble vidrio aislante, semitransparentes, representativos de diferentes tecnologías fotovoltaicas (tecnología de silicio monocristalino, m-Si; de capa fina en silicio amorfo unión simple, a-Si y de capa fina en diseleniuro de cobre e indio, CIS) fueron seleccionados para llevar a cabo una serie de pruebas experimentales al objeto de demostrar la validez del método de caracterización propuesto. Como resultado final, se ha desarrollado y generado el Diagrama Caracterización Integral DCI, un sistema gráfico y visual para representar los resultados y gestionar la información, una herramienta operativa útil para la toma de decisiones con respecto a las instalaciones fotovoltaicas. Este diagrama muestra todos los conceptos y parámetros estudiados en relación con los demás y ofrece visualmente toda la información cualitativa y cuantitativa sobre la eficiencia energética de los componentes BIPV, por caracterizarlos de manera integral. ABSTRACT A sustainable design process today is intended to produce high-performance buildings that are energy-efficient, healthy and economically feasible, by wisely using renewable resources to minimize the impact on the environment and to reduce, as much as possible, the energy demand. In the last decade, the reduction of energy needs in buildings has become a top priority. The Directive 2002/91/EC “Energy Performance of Buildings” (and its subsequent updates) established a general regulatory framework’s methodology for calculation of minimum energy requirements. Since then, the aim of fulfilling new directives and protocols has led the energy policies in several countries in a similar direction that is, focusing on the need of increasing energy efficiency in buildings, taking measures to reduce energy consumption, and fostering the use of renewable sources. Zero Energy Buildings or Net Zero Energy Buildings will become a standard in the European building industry and in order to balance energy consumption, buildings, in addition to reduce the end-use consumption should necessarily become selfenergy producers. For this reason, the façade system plays an important role for achieving these energy and environmental goals and Photovoltaic can play a leading role in this challenge. To promote the use of photovoltaic technology in buildings, international research programs encourage and support solutions, which favors the complete integration of photovoltaic devices as an architectural element, the so-called BIPV (Building Integrated Photovoltaic), furthermore facing to next future towards net-zero energy buildings. Therefore, the BIPV module/system becomes a multifunctional building layer, not only physically and functionally “integrated” in the building, but also used as an innovative chance for the building envelope design. It has been found in this study that there is still a lack of useful information about BIPV for architects and designers even though the market is providing more and more interesting solutions, sometimes comparable to the existing traditional building systems. However at the moment, the lack of an harmonized regulation and standardization besides to the non-accuracy in the technical BIPV datasheets (not yet comparable with the same ones available for building materials), makes difficult for a designer to properly evaluate the fesibility of this BIPV components when used as a technological system of the building skin. International organizations are working to establish the most suitable standards and test procedures to check the safety, feasibility and reliability of BIPV systems. Anyway, nowadays, there are no specific rules for a complete characterization and evaluation of a BIPV component according to the European Construction Product Regulation, CPR 305/2011. BIPV products, as building components, must comply with different practical aspects such as mechanical resistance and stability; structural integrity; safety in use; protection against weather (rain, snow, wind, hail); fire and noise: aspects that have become essential requirements in the perspective of more and more environmentally sustainable, healthy, energy efficient and economically affordable products. IEC standards, commonly used in Europe to certify PV modules (IEC 61215 and IEC 61646 respectively crystalline and thin-film ‘Terrestrial PV Modules-Design Qualification and Type Approval’), attest the feasibility and reliability of PV modules for a defined period of time with a limited power decrease. There is also a standard (IEC 61853, ‘Performance Testing and Energy Rating of Terrestrial PV Modules’) still under preparation, whose aim is finding appropriate test procedures and methodologies to calculate the energy yield of PV modules under different climate conditions. Furthermore, the lack of tests in specific conditions of installation (e.g. façade BIPV devices) means that it is difficult knowing the exact effective performance of these systems and the environmental conditions in which the building will operate. The nominal PV power at Standard Test Conditions, STC (1.000 W/m2, 25 °C temperature and AM 1.5) is usually measured in indoor laboratories, and it characterizes the PV module at specific conditions in order to be able to compare different modules and technologies on a first step. The “Watt-peak” is not enough to evaluate the panel performance in terms of Watt-hours of various modules under different operating conditions, and it gives no assurance of being able to predict the energy performance of a certain module at given environmental conditions. A proper BIPV element for façade should take into account thermal and insulation properties, factors as transparency to allow solar gains if possible or a good solar control if necessary, aspects that are linked and high dependent on climate conditions and on the level of comfort to be reached. However, the influence of different façade integrated photovoltaic solutions on the building energy consumption is not easy to assess under real operating conditions. Thermal aspects, indoor temperatures or luminance level that can be expected using building integrated PV (BIPV) modules are not well known. As said before, integrated photovoltaic BIPV components and the use of renewable energy is already a standard for green energy production, but would also be important to know the possible contribution to improve the comfort and health of building occupants. Comfort, light transmission or protection, thermal insulation or thermal/electricity power production are aspects that are usually considered alone, while all together contribute to the building global energy balance. Besides, the need to prioritize a particular building envelope orientation to harvest the most benefit from the electrical or thermal energy production, in the case of active and passive systems respectively might be not compatible, but also not necessary. A holistic approach is needed to enable architects and engineers implementing technological systems working in synergy. A new concept have been suggested: “C-BIPV, conscious integrated BIPV”. BIPV systems have to be “consciously integrated” which means that it is essential to know the positive and negative effects in terms of comfort and energy under real operating conditions. Purpose of the work, method and results The façade-integrated photovoltaic systems are often glass solutions easily integrable, as they usually are custommade. These BIPV semi-transparent components integrated as a window element provides natural lighting and shade that prevents overheating at times of excessive heat, but as static component, likewise avoid the possible solar gains contributions in the cold months. In addition, the temperature of the module varies considerably in certain circumstances influenced by the PV technology installed, solar radiation, mounting system, lack of ventilation, etc. This factor may result in additional heat input in the building highly variable and difficult to quantify. In addition, further insights into the indoor environmental comfort in buildings using integrated photovoltaic technologies are needed to open up thereby, a new research perspective. This research aims to study their behaviour through a series of experiments in order to define the real influence on comfort aspects and on global energy building consumption, as well as, electrical and thermal characteristics of these devices. The final objective was to analyze a whole set of issues that influence the global energy consumption/production in a building using BIPV modules by quantifying the global energy balance and the BIPV system real performances. Other qualitative issues to be studied were comfort aspect (thermal and lighting aspects) and the electrical behaviour of different BIPV technologies for vertical integration, aspects that influence both energy consumption and electricity production. Thus, it will be possible to obtain a comprehensive global characterization of BIPV systems. A specific design of an outdoor test facility, the BIPV Env-lab “BIPV Test Laboratory”, for the integral characterization of different BIPV semi-transparent modules was developed and built. The method and test protocol for the BIPV characterization was also defined in a real building context and weather conditions. This has been possible once assessed the state of the art and research, the aspects that influence the architectural integration and the different possibilities and types of integration for PV and after having examined the test methods for building and photovoltaic components, under operation conditions heretofore used. The test laboratory that consists in two equivalent test rooms (1:1) has a monitoring system in which reliable data of thermal, daylighting and electrical performances can be obtained for the evaluation of PV modules. The experimental set-up facility (testing room) allows studying three different aspects that affect building energy consumption and comfort issues: the thermal indoor comfort, the lighting comfort and the energy performance of BIPV modules tested under real environmental conditions. Knowing the energy balance for each experimented solar technology, it is possible to determine which one performs best. A theoretical methodology has been proposed for evaluating these parameters, as defined in this thesis as indices or indicators, which regard comfort issues, energy and the overall performance of BIPV components. This methodology considers the existing regulatory standards for each aspect, relating them to one another. A set of insulated glass BIPV modules see-through and light-through, representative of different PV technologies (mono-crystalline silicon technology, mc-Si, amorphous silicon thin film single junction, a-Si and copper indium selenide thin film technology CIS) were selected for a series of experimental tests in order to demonstrate the validity of the proposed characterization method. As result, it has been developed and generated the ICD Integral Characterization Diagram, a graphic and visual system to represent the results and manage information, a useful operational tool for decision-making regarding to photovoltaic installations. This diagram shows all concepts and parameters studied in relation to each other and visually provides access to all the results obtained during the experimental phase to make available all the qualitative and quantitative information on the energy performance of the BIPV components by characterizing them in a comprehensive way.