Tetti e facciate fotovoltaiche

La generazione diffusa si presenta come una potenziale prossima utilizzazione della tecnologia fotovoltaica qualora vengano raggiunte le previste condizioni di costo.

Si pensa a sistemi localizzati sulle coperture e/o facciate degli edifici, di taglia da qualche kW ad alcune decine di kW, collegati alla rete elettrica sul lato bassa tensione, a mezzo di convertitori statici da corrente continua ad alternata.

Tali impianti, in linea di principio hanno tre aspetti favorevoli:
· producono energia elettrica in prossimità del carico e quindi con "valore" superiore a quella prodotta ai morsetti delle centrali convenzionali sia perchè si evitano le perdite di trasporto e distribuzione sia perchè, in taluni casi, possono essere visti come misure di "demand side management" e di "peack-shaving"; il costo di installazione del fotovoltaico è marginale nell'ambito della realizzazione di nuovi edifici;
· l`utilizzo di coperture di edifici od altre superfici non altrimenti utilizzabili, come le facciate , porta evidenti vantaggi dal punto di vista dell'occupazione del territorio.

La quantità di superficie lorda disponibile per l'installazione di un sistema fotovoltaico in un edificio può variare da una decina di metri quadrati (nel caso di piccoli capannoni, baracche o tettoie) fino a raggiungere le grandi dimensioni di uno stabilimento industriale come migliaia di metri quadrati disponibili.

Copertura piana praticabile


Copertura a falde inclinate in tegole


Sistema fotovoltaico sovrapposto alla copertura preesistente


Sistema fotovoltaico integrato alla copertura (Saint Gobain)

   Tipologia delle coperture

Ai fini degli interventi di retrofit fotovoltaico di edifici residenziali esistenti (che costituiscono l'applicazione potenzialmente più diffusa viste le caratteristiche quantitative e qualitative del parco edilizio italiano) si possono considerare le seguenti categorie di coperture:
· Copertura piana praticabile. Rappresenta la categoria di coperture più frequente nei centri urbani di maggiore dimensione, soprattutto negli edifici realizzati dall'immediato dopoguerra in poi .
Essa si presenta prevalentemente su edifici con struttura in cemento armato e\o acciaio, sia multipiano (sistemi multiutenza) sia su edifici monopiano (sistemi monoutenza).
La copertura piana è senz'altro la tipologia più flessibile per gli interventi di retrofit fotovoltaico poichè non presenta vincoli di orientamento, come avviene invece nel caso delle coperture a falda inclinata.
· Copertura a falda inclinata in tegole.
La copertura a falda inclinata con rivestimento in tegole (singola, doppia o multipla) è tipica delle aree geografiche con inverni rigidi e con frequenti precipitazioni nevose o di centri urbani prevalentemente sviluppatisi in epoca anteriore agli anni '40 e di dimensioni geografiche contenute.
Per i requisiti richiesti dagli interventi di retrofit fotovoltaico, la falda inclinata presenta il vantaggio di offrire una superficie con inclinazione vicina all'ottimale, favorendo l'integrazione architettonica del sistema fotovoltaico. Per contro la falda inclinata è vincolata nella sua esposizione all'orientamento ovviamente inalterabile dell'edificio, per cui solo i fabbricati che presentano una falda con orientamento a sud (da 45° sud-est fino a 45° sud-ovest) sono da considerare idonei ad alloggiare sistemi di retrofit.
Sono possibili due sistemi di retrofit fotovoltaico.
Il sistema retrofit fotovoltaico sovrapposto alla copertura preesistente svolge esclusivamente funzione energetica, senza subentrare nelle specifiche funzioni di protezione contro le intemperie dal manto a tegole che, comunque, rimane inalterato.
In confronto con altre tipologie, questa soluzione è caratterizzata da un basso costo di installazione, data la possibilità di ricorrere ad una componentistica pre-assemblata che ha come conseguenza una limitata necessità di mano d'opera. Il sistema retrofit fotovoltaico integrato nel rivestimento a tegole si differenzia da quello precedente per il fatto che il rivestimento in tegole viene parzialmente sostituito dai moduli fotovoltaici (tegole fotovoltaiche).
In pratica questa soluzione, oltre a consentire una maggiore integrazione estetica ed architettonica nell'edificio, svolge, almeno in parte, il ruolo funzionale di protezione contro le intemperie tipico del rivestimento a tegola. Rispetto alla tipologia precedente, questa è caratterizzata da un costo di installazione più elevato, data la necessità di ricorrere ad una componentistica non standardizzata e ad una più impegnativa presenza di mano d'opera.
Il caso di questa soluzione integrata è consigliato nel caso in cui il fabbricato sia compreso in zone soggette a vincoli di tutela architettonica o il fabbricato presenti pregevoli caratteristiche che debbano essere conservate.
Ovviamente questa soluzione tipologica si presta in particolar modo in tutti quei casi in cui l'intervento di retrofit fotovoltaici si inserisce in un intervento generale di ristrutturazione o rifacimento del manto di copertura, oppure per realizzazioni su edifici di nuova costruzione.

   Sistemi di facciata

Spesso i moduli fotovoltaici tradizionali sono difficilmente integrabili nell'involucro esterno. Ma l'offerta di moduli fotovoltaici che soddisfino tale esigenza è in continua crescita. Per il montaggio di elementi fotovoltaici è comunque consigliabile l'impiego dei sistemi, ormai sperimentati, della costruzione convenzionale di tetti e facciate.
Tecnicamente l'integrazione nelle facciate presenta meno difficoltá che l'integrazione nei tetti.
Sono sul mercato alcuni sistemi provenienti da tecniche tradizionali come la facciata a scandole con sottostrutture in alluminio il sistema a "griglia" ; il sistema Rütihoff ; il sistema Saint Gobain con cellule solari inserite fra due lastre di vetro; e progetti in fase di studio che combinano il guadagno diurno della luce con la produzione energetica delle cellule solari e con l'isolamento termico

Oltre che per la produzione di energia elettrica, i pannelli fotovoltaici possono svolgere una seconda funzione come elementi protettivi di rivestimento e finitura delle pareti esterne oppure possono venire utilizzati come schermi solari per l'ombreggiamento delle finestre, sostituendo in tutti questi compiti i componenti tradizionali. In questo modo il loro costo non rappresenta una voce aggiuntiva al costo di un edificio terminato, ma è in parte assorbito dai costi per il rivestimento esterno.

Controllo solare e produzione di energia

La flessibilità tecnologica delle facciate può essere considerata anche come la capacità di soddisfare il comfort ambientale in modo dinamico rispetto alla variazione delle sollecitazioni ambientali o delle esigenze individuali di comfort.
Le sollecitazioni ambientali caratterizzate, per esempio, dalla temperatura e dall'irraggiamento solare variano durante l'arco dell'anno e della stessa giornata. Durante i periodi caldi è importante agevolare la trasmissione della luce solare attraverso la parte trasparente della facciata, ponendo attenzione a non produrre effetti di abbagliamento, e limitare la penetrazione di energia. La sensazione luminosa è, infatti, dovuta all'azione di energia con lunghezza d'onda tra 0,38 e 0,78 µ, mentre i raggi del sole sono costituiti da un insieme di radiazioni di lunghezza d'onda compresa tra 0,3 e 3 µ per le quali il vetro, nel suo spettro di trasmissione energetica, presenta una trasmissione quasi completa. In un ambiente protetto da superfici vetrate, i corpi colpiti dall'irraggiamento solare aumentano la loro temperatura e in funzione di questa riemettono a loro volta energia traformata in calore sotto forma di radiazioni infrarosse di lunghezza d'onda superiori a 3 µ, per le quali il vetro risulta opaco. L'energia rimane quindi racchiusa all'interno dello spazio e lo surriscalda. Durante i periodi freddi è invece necessario limitare le dispersioni di calore e agevolare la trasmissione della luce solare e dell'energia all'interno degli spazi. Se quindi l'aumento della temperatura nei periodi freddi dell'anno costituisce un apporto gratuito di energia, nei periodi caldi crea situazioni di discomfort termico e rende necessario dimensionare impianti di condizionamento per elevati carichi termici con un aumento dei costi di gestione dell'edificio.
La necessità, da un punto di vista economico e soprattutto ambientale, di un uso razionale dell'energia e di un maggiore risparmio energetico ha influenzato la ricerca sui materiali, i componenti e i sistemi di facciata e ha introdotto nuovi materiali e modelli di funzionamento della facciata, capaci di variare il modo di rispondere alle sollecitazioni ambientali nel tempo .
Inoltre, la rivendicazione da parte dei fruitori di un controllo individuale delle condizioni di comfort e della percezione dello spazio esterno sono due esigenze che hanno indotto il progettista a compiere delle scelte tecniche in grado di favorire la personalizzazione del controllo delle condizioni ambientali.
La concezione dell'edificio come elemento attivo nel mediare gli effetti delle radiazioni solari e della ventilazione per contribuire al suo riscaldamento e al raffrescamento ha comportato un nuovo atteggiamento nel progetto dei sistemi di involucro, non più concepito come barriera tra l'interno e l'esterno, ma come elemento mediatore di flussi energetici.
In quest'ottica si collocano i sistemi di retrofit fotovoltaico (fig. 3) che devono quindi assicurare i seguenti requisiti:
· garantire un rendimento energetico elevato;
· rendere il calore dei raggi solari in energia utillizzabile per il riscaldamento;
· soddisfare pienamente la funzione della protezione contro le intemperie;
· assicurare automaticamente l'ombra quando richiesta.
Per quanto riguarda il rendimento energetico, questo dipende esclusivamente dall'orientazione della facciata o del tetto fotovoltaico e dalle caratteristiche della cella utilizzata (silicio mono-policristallino, amorfo, ...), dal collegamento in serie e in parallelo dei moduli in modo da realizzare insieme le condizioni operative desiderate oltre che dal controllo di potenza e dall'invertitore CC/CA.
Assicurare automaticamente l'ombra quando richiesto è una funzione ormai sperimentata - a monte delle esperienze acquisite dai sistemi di schermatura tradizionali - e presenta l'applicazione di meccanismi a comando elettrico che mantengono l'inclinazione ideale dei moduli e favoriscono la penetrazione dell'illuminazione naturale all'interno dei locali.
Un interessante sistema in via di sperimentazione unisce i vantaggi della produzione di energia elettrica con quelli di un collettore solare per la produzione di energia termica. Questi pannelli sono realizzati con un'intercapedine sulla parete interna attraverso la quale viene fatta circolare, come fluido refrigerante, l'aria dell'ambiente o l'acqua, recuperando in questo modo l'energia termica dovuta al surriscaldamento dei pannelli.
Mantenendo i pannelli ventilati, e abbassandone la temperatura, si migliora tra l'altro il fattore di conversione elettrica della radiazione solare e l'aria calda che si ottiene può essere utilizzata per il riscaldamento.
Al di là di questa nuova componentistica, che permette comunque l'acquisizione dei dati per un promettente miglioramento dell'efficienza di tali sistemi, è interessante notare come le tecnologie a nostra disposizione possano condurre oggi a soluzioni validissime sia dal punto di vista tecnico, sia da quello economico.
Soltanto, comunque, attraverso l'integrazione dei sistemi fotovoltaici con tutti gli altri sistemi già acquisiti dell'architettura solare passiva e dei materiali innovativi sarà possibile rendere concorrenziali le energie rinnovabili ai combustibili fossili tradizionali.
.

Facciata fotovoltaica (Saint Gobain)


Facciata a scandole con sottostrutture in alluminio il sistema a "griglia" ; il sistema Rütihoff


Solar house a Friburgo


Facciata energicamente attiva


Sezione di facciata provvista di aggetti fotovoltaici


Produzione combinata di elettricità e calore

     "Building integration": la prefabbricazione edilizia

L'evoluzione delle tecniche di produzione verso tecniche in grado di svincolare il numero e la tipologia dei componenti dalla macchina utensile e di fornire delle serie variate, l'industrializzazione di elementi a bassa complessità tecnologica e l'utilizzo di tecniche artigianali che diffondono l'uso del componente a disegno contribuiscono ad aumentare la flessibilità costruttiva dei componenti per le costruzioni.
Un primo livello di flessibilità costruttiva è determinato dalla possibilità di produrre componenti industrializzati con forme, dimensioni e finiture diverse. Questo avrà sicuramente un notevole impatto sull'attività di progettazione in quanto decreta la fine dell'identificazione delle tecniche di produzione industrializzate con componenti di forma e dimensione standardizzata.
Un secondo livello di flessibilità costruttiva è determinato dalla possibilità di variare le relazioni tra gli elementi della facciata. Al subcomponente non è infatti associata una funzione univoca, ma questa si determina in base alla sua posizione, e il progetto dell'asemblaggio dei subcomponenti consente di graduare le prestazioni della facciata in relazione alle esigenze di progetto.
Questi due livelli di flessibilità forniscono al sistema costruttivo un alto grado di quella che è stata definita flessibilità costruttiva interna.
Un terzo livello di flessibilità costruttiva è determinato dalla possibilità di variare le relazioni tra la facciata e gli altri sottosistemi tecnologici e può essere definito come flessibilità costruttiva di interfaccia. Questo livello incide sull'attività di progetto in quanto consente di integrare i componenti della facciata con più tecniche costruttive e con componenti di diversa origine produttiva.
In quest'ottica, per quanto riguarda la "building integration" in edifici da realizzare non vi sono dubbi che la prefabbricazione edilizia, anche in virtù del suo carattere fortemente industriale ed innovativo come espressione tecnologicamente più avanzata del settore edile, presenta connotati molto favorevoli per giungere, come tramite, ad una significativa diffusione e penetrazione dei sistemi fotovoltaici in un mercato (quello edile) di primaria importanza.
Pur evidenziando dei limiti, soprattutto per quanto concerne il preassemblaggio in fabbrica di dispositivi fotovoltaici su elementi edili, è possibile vedere un buon potenziale per l'integrazione funzionale fra la componentistica fotovoltaica e quella edile. In particolare sono possibili significativi potenziali di risparmio economico derivanti dalla possibilità:
· di adottare componentistiche e standard comuni ai due sistemi (quello edile e quello FV);
· di inserire componenti necessari al sistema FV (quali zanche di fissaggio strutture, vie cavi, scatole di giunzione) all'interno degli elementi edili già in fase di getto in fabbrica;
· di usufruire della pianificazione / programmazione integrata dei lavori di montaggio e messa in opera, durante i quali l'impianto FV sarà considerato e trattato come parte della normale impiantistica dell'edificio.
Emergono quindi significativi vantaggi e risparmi in costi e tempi di realizzazione conseguibili dal connubio integrato fra prefabbricato edile e generatore FV, se quest'ultimo viene inteso non come elemento aggiuntivo, a sè stante ed estraneo all'edificio, bensì come componente funzionale ed integrato allo stesso.
Condizione essenziale è, comunque, che gli operatori industriali del settore sposino queste tecniche e le sviluppino fino alla produzione di serie dei prefabbricati.
Occorrono, quindi, programmi mirati, opportunamente finanziati, che stimolino l'insorgere di un comparto industriale che passi dalla ricerca alla produzione.

| Home | Architettura Bioclimatica | Il Sistema Fotovoltaico | Tecnologie fotovoltaiche nel settore residenziale | | Applicazioni fotovoltaiche | Economia del fotovoltaico| PV Software | Solar-Shop |    PROGRAMMA 10.000 TETTI FOTOVOLTAICI  | Partners | Consulenza Tecnica | System Syzing | Operatori del settore | Mercato e aziende | Formazione |

Per informazioni:   SOLARDESIGN   -   Arch. Perfetto Via Rivarolo-Beltrama,50 -10040 - Lombardore (To) Tel. ++39 - 339-4030592 Fax ++39 - 178-6020551 e-mail: jperfetto@solardesign.it Copyright: le informazioni contenute in questo sito possono essere utilizzate previa autorizzazione della SolarDesign