Fachadas solares optimizadas paramétricamente por Architektur Innovation Labor

El estudio de arquitectura architektur innovation labor (ai:L) formado por los arquitectos Adrian Heller, Stefan Huth, Frank Hülsmeier, desarrolla proyectos de investigación e innovación sobre materiales y tecnologías de construcción ligera y energéticamente eficiente, así como fachadas multifuncionales.

Junto con el Instituto de Investigación de la Universidad de Ciencias Aplicadas de Leipzig, Alemania, ha desarrollado la solución Solar.shell en la que se basa su fachada solar.

Fachada oeste. Fotografía: Frank Hülsmeier, ai:L.

AiL ha dirigido esta investigación hacia las fachadas de edificios urbanos que están parcialmente en sombra por la cercanía de otras construcciones y propone analizar paramétricamente la envolvente y diseñar pequeños módulos fotovoltaicos dirigidos hacia el mejor soleamiento en cada una de las fachadas:

Fachada Solar.shell

“El aumento de la urbanización y la presión que esto ejerce sobre la red eléctrica pública significan que será necesario producir más energía en las zonas urbanas, cerca de donde se consume. Como resultado, la generación de energía solar mediante energía fotovoltaica (PV) en fachadas está captando más interés. Sin embargo, con los módulos fotovoltaicos estándar es casi imposible responder con sensibilidad a la intención del diseño y a las sutilezas del lugar en un contexto urbano.

Encuentro entre las dos fachadas solares. Fotografía: Frank Hülsmeier, ai:L.

A diferencia de los productos actualmente disponibles en el mercado, la fachada solar optimizada paramétricamente, Solar.shell, se basa en pequeños módulos fotovoltaicos, que son considerablemente más fáciles de integrar de forma flexible en las fachadas. Los cálculos informáticos paramétricos-generativos permiten al diseñador orientar los módulos de manera óptima hacia el sol, teniendo en cuenta la trayectoria solar y el sombreado. El rendimiento resultante por m2 de superficie fotovoltaica es hasta un 55% superior al de los módulos en el plano. Los módulos fotovoltaicos se pueden combinar con otros materiales como hormigón, madera o, como en el caso de las imágenes de este artículo, paneles compuestos de aluminio integrados en elementos de fachada 3D. Las fachadas adquieren diferentes apariencias dependiendo del ángulo de visión, incluyendo perspectivas desde las cuales los módulos solares son apenas visibles.

Proyecto pionero de fachada solar parametrizada

La empresa de procesamiento de metales en Bad Rappenau, cerca de Heilbronn, había ampliado su sede con un nuevo edificio de oficinas y cafetería en 2020. Originalmente fue diseñado para tener paneles de revestimiento compuesto de aluminio liso fabricados por la propia empresa. Contaba con un sistema fotovoltaico en cubierta de 8 kWp.

Adaptación de la fachada de sur a oeste y cálculo de los parámetros: Situación: Berlin; datos meteorológicos: IWEC; Software de simulación: DIVA para Grasshopper/Rhino por A. Heller + S. Huth, ai:L.

Algoritmo en el editor visual de scripts Grasshopper para Rhinoceros. A. Heller + S. Huth, ai:L.

Modelo para construcción de la fachada solar. Adrian Heller, ai:L | Plano fotovoltaico, SGB.

El equipo de investigación se basó en el diseño del edificio ya finalizado y su solución para los huecos y desarrolló una fachada solar 3D específica para las caras sur y oeste, las más expuestas y sin sombra. El trabajo formó parte del proyecto de investigación Solar.shell Transfer, financiado por el Instituto Federal de Investigación sobre Construcción, Asuntos Urbanos y Desarrollo Espacial (BBSR) como parte de su programa de innovación "Zukunft Bau" y busca hacer un uso práctico de los resultados de un proyecto predecesor Solar.shell.

Utilizando el software CAD Rhinoceros y el plug-in Grasshopper, los diseñadores optimizaron la geometría de la fachada según la orientación solar y redujeron el efecto de autosombreado de los módulos. La geometría final se transfirió automáticamente en forma digital para mecanizar los paneles compuestos de aluminio.

Fachada sur. Fotografía: Frank Hülsmeier, ai:L.

La fachada sur tiene una geometría diferente a la fachada oeste. La superficie solar activa en el lado sur asciende al 37% del área total (excluyendo ventanas). En la fachada oeste la cifra es del 20 %. Esto le da al diseñador libertad para reaccionar de acuerdo con el entorno del edificio con otros materiales de fachada, en este caso al volumen ocupado por salas de producción revestidas con paneles compuestos de aluminio blanco.

Construcción y homologación

Solar.shell es una fachada ventilada suspendida. Los casetes de chapa plegados tridimensionalmente, hechos de paneles compuestos de núcleo de polímero de aluminio de 4 mm, están suspendidos de una subestructura de aluminio estándar. El mecanizado de una sola cara permite que los paneles se plieguen fácilmente a mano para formar formas complejas. Estas unidades tienen una abertura en la que los módulos solares de lámina de vidrio están montados en un marco angular de aluminio. La Oficina Estatal de la Construcción (LfB) de Tubinga concedió una autorización combinada para el proyecto (ZiE) y un permiso técnico de construcción (vBG) para el diseño. La ZiE era necesaria para los módulos solares porque se consideraban productos eléctricos y no de construcción. La vBG se aplica al encolado de los módulos solares de lámina de vidrio, ya que no están fijados mecánicamente.

Módulos pequeños, alto rendimiento

Como resultado de las diferentes geometrías, los 153 módulos fotovoltaicos en el lado oeste son cada uno de 212 × 820 mm, mientras que los 201 módulos en la fachada sur son ligeramente más anchos, de 212 × 1.380 mm. Las medias celdas de silicio en los módulos alcanzan una eficiencia del 20%. Las fachadas sur y oeste con una capacidad total de 10 kW p tienen un rendimiento estándar proyectado de 7.070 kWh por año. Con el 30 % de toda la superficie fotovoltaica, la fachada oeste aporta el 18 % del rendimiento total.

Insolación: escenario urbano con edificios opuestos; localización: Berlín; datos meteorológicos: IWEC; Software de simulación: DIVA para Grasshopper/Rhino. A. Heller, ai:L

Un análisis del rendimiento durante los primeros seis meses de operación desde febrero de 2022 confirma los valores calculados. Las fachadas cubren un promedio del 14% del requerimiento actual de electricidad del edificio, incluida una bomba de calor y una caja de pared para cargar vehículos eléctricos de la empresa. La elevada proporción de autoconsumo (94 %) de la electricidad solar generada y el hecho de que la fachada oeste genere su electricidad por la tarde –fuera del horario en que la mayor parte de la energía solar se inyecta a la red– permiten el funcionamiento en servicio de la red sin necesidad de almacenamiento en baterías.

Potencial de optimización

Fotografía: M. Eberhardt, Aluform.

El coste total de la fachada solar terminada en Bad Rappenau sigue estando muy por encima de un nivel competitivo. Sin embargo, el costo de una fachada de prueba con la geometría básica similar y la densidad de unidades fotovoltaicas que se construyó al mismo tiempo en 3A Composites en Singen se redujo a la mitad mediante la adopción de un método simplificado para fabricar los casetes y un sistema de clip para instalar los módulos fotovoltaicos. El tiempo necesario para obtener las aprobaciones adicionales necesarias hizo imposible utilizar este desarrollo adicional del sistema en Bad Rappenau. Sin embargo, los costos totales de las fachadas solares ventiladas suspendidas en el futuro serán comparables con las fachadas de alta calidad comercializadas actualmente.”

Fotografía: Tim Friedrich, Aluform Alucobondverarbeitungs-GmbH.

Texto: aiL: architektur innovation labor

Solar.shell puede integrar iluminación y las placas fotovoltaicas están disponibles en una amplia gama de colores para mimetizarse con el material y tono de la fachada.