Παραμετρική ανάλυση της λειτουργίας τοίχου μάζας, σε συνεργασία με φωτοβολταϊκά στοιχεία, και διερεύνηση της συνεισφοράς του συστήματος στην ενεργειακή συμπεριφορά των κτηριακών κατασκευών
Creators: name: Παπαχατζής, Κωνσταντίνος Νικολάου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2022
Subjects: Τοίχος μάζας
Φωτοβολταϊκά
Παραμετρική ανάλυση
Massive wall
Photovoltaics
Parametric analysis

description: Η παρούσα μεταπτυχιακή διπλωματική εργασία ασχολείται με τα φωτοβολταϊκά στοιχεία επί του κτηριακού κελύφους (BIPVs) και τη συνεργασία τους με τον τοίχο μάζας, ο οποίος αποτελεί ένα παθητικό σύστημα έμμεσου ηλιακού κέρδους. Τα BIPVs προσφέρουν ορισμένα σημαντικά πλεονεκτήματα για την παραγωγή ανανεώσιμης ηλεκτρικής ενέργειας. Μερικά από αυτά είναι η μη απαίτηση μεγάλων εκτάσεων γης, το χαμηλό κόστος εγκατάστασης και σύνδεσης με το δίκτυο ηλεκτροδότησης και η δυνατότητα κατανάλωσης στο σημείο παραγωγής, μειώνοντας τις απώλειες μεταφοράς της ενέργειας. Με αυτά τα δεδομένα, η ΕΕ, μέσω του προγράμματος REPowerEU, έχει δώσει προτεραιότητα στην εγκατάσταση φωτοβολταϊκών συστημάτων στα κτήρια, ενώ σε όλο τον κόσμο τα BIPVs θεωρείται ότι έχουν σημαντικές προοπτικές. Στον αντίποδα, έχει παρατηρηθεί ότι η λειτουργία των BIPVs συνεπάγεται την ανάπτυξη υψηλών θερμοκρασιών στα κτήρια, με δυσμενείς συνέπειες τόσο στην κατανάλωση ενέργειας για ψύξη και στη θερμική άνεση, όσο και στην ενεργειακή απόδοση των φωτοβολταϊκών. Παράλληλα, τα BIPVs αυξάνουν το ανθρακικό αποτύπωμα των κτηρίων και υποβαθμίζουν το δομημένο περιβάλλον, συνεπικουρούντος του φαινομένου της αστικής θερμικής νησίδας και της κλιματικής αλλαγής. Με σκοπό την κατά το δυνατό βέλτιστη αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας για την κάλυψη των αναγκών των κτηρίων, στην πορεία προς την απανθρακοποίηση του κτηριακού τομέα, έχει προταθεί η συνεργασία φωτοβολταϊκών στοιχείων και τοίχου μάζας. Στόχος αυτής της συνεργασίας είναι αποτελεσματική απαγωγή της παραγόμενης από τα φωτοβολταϊκά θερμότητας και η αξιοποίησή της για τη θέρμανση του κτηρίου, συμβάλλοντας στη βελτίωση της περιβαλλοντικής του απόδοσης. Σε αυτή την εργασία, λαμβάνει χώρα μία παραμετρική ανάλυση τοίχου μάζας με αδιαφανή φωτοβολταϊκά πανέλα. Μέσω δυναμικής ενεργειακής προσομοίωσης με το λογισμικό EnergyPlus, αποτιμάται η συνεισφορά του συστήματος στην ενεργειακή συμπεριφορά των κτηρίων, συγκριτικά με τις λύσεις των επί της όψης αναρτημένων φωτοβολταϊκών πανέλων και του συμβατικού τοίχου μάζας. Στις παραμέτρους ανάλυσης περιλαμβάνεται το ποσοστό κάλυψης του συλλέκτη του τοίχου μάζας με αδιαφανή πανέλα, το πάχος του, ο τύπος του υαλοπίνακα και η θερμομονωτική του προστασία. Επίσης, εξετάζονται δύο τύποι κτηρίων, ήτοι κτήριο κατοικίας και κτήριο γραφείων, σε τρείς κλιματικές ζώνες της Ευρώπης (μεσογειακό, ηπειρωτικό και ωκεάνιο κλίμα). Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι ο τοίχος μάζας με αδιαφανή φωτοβολταϊκά, τα οποία καλύπτουν το 33% του συλλέκτη του, μπορεί να προσφέρει θερμότητα στο κτήριο, σε όλες τις κλιματικές ζώνες. Με τη χρήση κινητής θερμομόνωσης, η θερμική του απόδοση είναι παραπλήσια αυτής του απλού τοίχου μάζας, ενώ το σύστημα δεν αυξάνει σημαντικά τις ανάγκες για ψύξη. Όταν η κάλυψη με πανέλα είναι πλήρης, το σύστημα δεν προσφέρει θερμότητα στο κτήριο. Τέλος, η απόδοση των φωτοβολταϊκών επί του συλλέκτη του τοίχου μάζας είναι ελαφρώς μικρότερη, σε σχέση με τα αναρτημένα φωτοβολταϊκά
description: This postgraduate thesis is concerned with building integrated photovoltaics (BIPVs) and their collaboration with a massive wall, which is a passive system of indirect solar gain. BIPVs provide significant benefits for renewable electricity generation. Some of these benefits include not requiring a large amount of land, low installation and grid connection costs, and the ability to consume at the point of generation, reducing energy transmission losses. So, the EU has prioritized the installation of PV systems in buildings through the REPowerEU program, while BIPVs are considered to have significant potential around the world. On the contrary, the operation of BIPVs has been observed to cause the emergence of high temperatures in buildings, which has a negative impact on both cooling energy consumption and thermal comfort, as well as the energy efficiency of PVs. Simultaneously, BIPVs increase buildings' carbon footprint and degrade the built environment, given the urban heat island effect and climate change. A collaboration of PVs and a massive wall has been proposed to optimize the use of solar energy to meet the energy needs of buildings on the way to the decarbonization of the building sector. The PV-massive wall system is deployed to efficiently collect the heat generated by the PV panels and use it to heat the building. Thereby, it can improve its environmental performance. In this thesis, a parametric analysis of a massive wall with blind PV panels takes place. Through dynamic energy simulation with EnergyPlus software, the system’s contribution to the building's energy performance is evaluated and compared to the solutions of façade-integrated PVs and a conventional massive wall. The analysis parameters include the covering rate of the massive wall’s collector with blind PVs, the wall’s width, the type of glass, and the thermal insulation. Furthermore, two types of buildings, namely residential and office buildings, are considered in three climate zones of Europe (mediterranean, continental, and oceanic). The results indicate that the massive wall with blind PVs, which cover 33% of its collector, can heat the building in all climate zones. By using movable thermal insulation, the system’s thermal efficiency seems to be similar to that of a conventional massive wall, while it does not significantly increase the cooling needs. When the covering rate is 100%, the system cannot provide useful heat to the building. Finally, the PV-massive wall electric generation efficiency is slightly lower than that of the façade-integrated PVs.