PERSIANAS FOTOVOLTAICAS EN FACHADA SUR PARA UN EDIFICIO SIGNIFICATIVO EN LA CIUDAD DE MÉXICO

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1 PERSIANAS FOTOVOLTAICAS EN FACHADA SUR PARA UN EDIFICIO SIGNIFICATIVO EN LA CIUDAD DE MÉXICO SERGIO MELÉNDEZ GARCÍA P - JOAQUIM LLOVERAS MACIÁ DPTO. PROYECTOS DE INGENIERÍA ETSEIB - UPC ABSTRACT El objetivo de esta propuesta es el diseño e incorporación de módulos con persianas fotovoltaicas ventilados en la fachada Sur de un edificio de oficinas existente y significativo situado en la Ciudad de México, la cual está ubicada en una latitud de 19º 24 N, una longitud de 99º 12 W y una altitud de 2277 msm y que está dotado actualmente de un sistema de climatización convencional. La fachada de este edificio es un gran rectángulo vertical de 130 m largo x 25 m ancho x 156 m altura y su área total es de 20,280 m 2, de tal manera que esta fachada capte la irradiación solar, genere corriente eléctrica para reducir los consumos de refrigeración, calefacción e iluminación del edificio y se logren ahorros energéticos considerables, calculándose una potencia pico instalada de 809 kw y una energía total producida de unos 692 MWh / año, según la metodología de simulación informática energética aplicada durante un año tipo. The objective of this proposal is the design and incorporation of modules with photovoltaic blinds ventilated in the South facade of existing and significant a building of offices located in the City of Mexico, which is located in a latitude of 19º 24 N, a length of 99º 12 W and a 2277 altitude of msm and that is equipped at the moment with a system of conventional air conditioning. The facade of this building is a great vertical rectangle of 130 long ms x 25 wide ms x 156 ms height and its total area is of 20,280 m 2, in such a way that this facade catches the solar irradiation, generates current electrical to reduce the consumptions of refrigeration, heating and illumination of the building and power savings are obtained considerable, calculating a power 809 tip installed of kw and one about 692 total energy produced of MWh/year, according to the methodology of power computer science simulation applied during a year type. 1293

2 1 - HIPÓTESIS CASO PRÁCTICO La propuesta de diseño es la de colocar módulos con persianas fotovoltaicas ventiladas con células de silicio monocristalino en la fachada Sur, para ganar mayor visión directa, mayor difusión de la luz natural dentro de los espacios de las oficinas y generar energía eléctrica para el ahorro energético del edificio. - Edificio existente en la Ciudad de México que está ubicada en una latitud de 19º 24 N, una longitud de 99º 12 W, una altitud de 2277 msm, con clima semifrío subhúmedo y una temperatura promedio anual de 16 ºC. - Torre con 42 plantas y un restaurante giratorio en el tejado con 6 plantas más con una altura total de 207 m, edificio de planta rectangular de 130 m largo x 25 m ancho x 156 m altura sin el restaurante en la parte superior, sus fachadas son acristaladas por los cuatro lados. - Distribución por planta: 3,200m 2 x 42 plantas = 134,400 m 2 área Torre. - Fachada Sur oficinas acristaladas = 20,280 m 2 (130mx156m). Área Poniente 3,900m 2 Área Sur = 20,280 m 2 Oficinas Área Oriente 3900m 2 H=156m 400m 2 Área Sur = 2,080 m 2 Comercios 400m 2 H=16m Figura 1 - Esquema general de fachadas del edificio 1294

3 1.1 - Características climatológicas del sitio: Debido al planteamiento de diseño fotovoltaico en la fachada Sur de este edificio, es fundamental el análisis de los recorridos del Sol en la Ciudad de México durante el Equinoccio de Primavera y Otoño, Verano e Invierno, así como el estudio y comportamiento de las sombras, altura y azimut solar entre las persianas fotovoltaicas del módulo en todas las estaciones del año, para que de este modo proponer el mejor ángulo de inclinación con respecto al plano horizontal. 1295

4 Figura 2 - Análisis de los recorridos del Sol en el sitio Simulación energética del módulo con persianas fotovoltaicas: Para llegar a la mejor propuesta energética del módulo con persianas fotovoltaicas, se realizaron 4 simulaciones informáticas energéticas con características distintas en el programa PVSYST / V3.11 Photovoltaic Systems Software, facilitado por la Agrupación Euroregional de los Sistemas Fotovoltaicos del Parque Científico de Barcelona, para visualizar y optimizar el mejor ángulo de inclinación de las persianas, simular las diversas sombras de las persianas durante las épocas del año, conocer la irradiación global de las persianas y calcular la energía total generada anualmente. Figura 3 - Visualización y optimización de las persianas en fachada Sur Resultado de estas simulaciónes informáticas energéticas de las persianas fotovoltaicas se pudo observar que la propuesta óptima es aquella donde la inclinación de las persianas es de 20º con respecto al plano horizontal, con una separación de 30 cm entre ellas para evitarse sombra y con 10 cm de ancho, mostrando la mejor eficiencia energética total de unos 692 MWh / año. 1296

5 1.3 - Proceso de diseño del módulo con persianas fotovoltaicas ventilado: A.- Diseño del módulo: Esquema de su elevación frontal, lateral e isometrico. Figura 4 - Diseño esquemático del módulo B.- Definición de la mejor orientación del módulo: La orientación de las persianas fotovoltaicas en fachada, influye directamente con la producción de la energía eléctrica generada por la irradiación solar, resultando en la Ciudad de México una inclinación óptima de 20 º con respecto al plano horizontal, de un azimut óptimo de 0º con la línea y orientación hacia el Sur. C.- Definición de las células fotovoltaicas utilizadas en el módulo: Se utilizarán 10 células de silicio monocristalino de alta eficiencia por cada persiana, de 10x10cm 2, 350 micras de grosor y con un rendimiento del 14 al 17%, tipo BP Premium Performance Crystalline Blue, encapsuladas por un cristal superior y otro inferior. 1297

6 D.- Definición del tipo de vidrio utilizado en el módulo: Se propone utilizar vidrios de 6mm espesor con bajo contenido en hierro y un coeficiente de transmisión térmica K= 1,6 W/m 2 y el módulo se constituye por un triple acristalamiento, al exterior un cristal reflejante y en el interior un doble acristalamiento para obtener el mejor aislamiento y confort acústico. E.- Definición de la forma y materiales del módulo: Cada módulo mide 2,15 x 1,10 m debido a que la altura de entrepiso de la estructura del edificio tiene 4,30 m a ejes centrales y modulados en toda la superficie de la fachada Sur en ambos sentidos. Los módulos fotovoltaicos son prefabricados en taller con el sistema completo de conexión eléctrica incluido, proporcionando una doble piel al edificio con dos paneles, interior y exterior, separados por una cámara ventilada de 12 cm con aire natural continuo por convección forzada (efecto chimenea) y persianas fotovoltaicas fijas con una separación de 30 cm para evitar sombras entre ellas y por otro lado permitir la luz natural y visión directa desde el interior. Con las persianas fotovoltaicas dentro de la cámara y no en el interior del edificio, el aire caliente retenido se expulsa durante el verano y durante las demás estaciones del año se permite la entrada de aire nuevo. La instalación de las persianas fotovoltaicas como control solar en el interior de la cámara ventilada permite mejorar significativamente el factor solar, la transmisión luminosa, la temperatura superficial y el coeficiente de transmisión térmica del módulo. El bastidor del módulo y el soporte de los extremos fijos de cada persiana son de aluminio anodizado natural ensamblados en taller. F.- Definición del tipo de instalación fotovoltaica para el módulo: En este caso se empleará un sistema fotovoltaico en serie conectado a la red pública para vender toda la energía generada por los módulos con persianas fotovoltaicos de la fachada Sur y la energía consumida para el edificio se podrá obtener de la red. Este sistema estará formado por un campo de módulos con persianas fotovoltaicas, que producirán electricidad en forma de corriente continua (DC) y para poder enviar a la red la corriente eléctrica generada, hace falta convertirla mediante onduladores ó inversores, en corriente alterna de 220v a 50HZ y que en este caso como está situado en la Ciudad de México será a 110v. 1298

7 2 - RESULTADOS Para el proyecto de la fachada Sur de este edificio se tuvo en cuenta la multifuncionalidad, ya que con este diseño se podrán reducir las ganancias caloríficas solares del espacio interior mediante la colocación de estos módulos con persianas fotovoltaicos ventilados que aportarán energía eléctrica, nos darán sombra, ventilación continua de aire fresco natural, servirán como barrera acústica, facilitarán el acceso a las operaciones de mantenimiento y contribuirán a la estética del edificio. Los módulos serán prefabricados y encristalados en taller con el sistema completo de conexión eléctrica incluido para que se instalen con facilidad sobre la fachada Sur del edificio. Así mismo el sistema fotovoltaico será diseñado para enviar toda la electricidad generada por los módulos fotovoltaicos a la red pública del Municipio, incorporando inversores DC/AC y contadores sincronizados que medirán la cantidad de electricidad producida y consumida en el edificio. La potencia nominal por módulo sería de 95,2 Wp x 8,500 que representa una potencia pico instalada de 809 kw y una energía total producida de unos 692 MWh/año. 3 CONCLUSIONES Al utilizar dichos módulos con persianas fotovoltaicas ventiladas en las fachadas acristaladas será una importante producción de electricidad, ya que es una alternativa actual que lleva implícito parámetros de sostenibilidad, de optimización y de ahorro de energía en los edificios sin renunciar al confort, por otro lado se podrán reducir las emisiones de CO 2 a la atmósfera en la producción de energía termoeléctrica en México por el uso de este tipo de energía alternativa. 1299

8 4 REFERENCIAS Behling, S. (1996) Sol Power, Munich, Prestel Publishing. CITAV (2000) Manual del Vidrio, Madrid, Cristalería Española. Deffis Caso, (1999) Energía, México, Árbol. Givoni Baruch, (1962) Basic study of ventilation problems in hot countries, Israel, Technion Publisher. Institut Catalá d Energía, (2001) Fichas Técnicas Energía Demo, Barcelona, Generalitá de Catalunya. Olgyay, A., (1973) Design with Climate, New Jersey, Princeton University. PVSYST-Versión V3.11, (2001) Photovoltaic Systems Software, Agrupación Euroregional de los Sistemas Fotovoltaicos del Parque Científico de Barcelona. Robke Doerr, (2000) Energía Solar, Alemania, Ceac. Serra Florensa, (1997) Arquitectura y el control de los elementos, Barcelona, Hipótesi. Slessor C., (1997) Arquitectura High Tech y Sostenibilidad, Barcelona, Gustavo Gili. Thermie Programme Action, (2001) Integration of Solar Components in Buildings, European Commision. Yeang Ken, (2001) El Rascacielos Ecológico, Barcelona, Gustavo Gili. Zeiher, L.C., (1996) The Ecology of Architecture, Nueva York, Whitney Library of Design. 5 CORRESPONDENCIA Doctorando Sergio Javier Meléndez García P smelende@hotmail.com Dr. Ing. Joaquim Lloveras Maciá j.lloveras@upc.es Av. Diagonal No. 647 / 10ª planta, Barcelona, España Tel. (0034) y Fax (0034)