Los rascacielos dominan los horizontes de las ciudades, pero estas enormes estructuras con paredes de vidrio se pueden hacer más eficientes energéticamente mediante la adición de ventanas fotovoltaicas (PV) térmicamente eficientes, según un análisis realizado por investigadores del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL).
Sus hallazgos, publicados en la revista One Earth , describen reglas de diseño de edificios que pueden producir una estructura con un consumo neto de energía cero o incluso positivo.
“Hay nociones preconcebidas de cómo se ve un edificio energéticamente eficiente, y por lo general no está muy acristalado y probablemente no sea muy alto”, dijo Lance Wheeler, científico de NREL que se especializa en integrar tecnología fotovoltaica en ventanas. “Descubrimos que hay otras formas de construir edificios de alta eficiencia”.
Wheeler es coautor del nuevo artículo, "Las ventanas fotovoltaicas reducen el uso de energía y las emisiones de CO 2 en un 40 % en edificios muy acristalados", que escribió con su hermano gemelo, Vincent, profesor asistente en la Universidad de Wisconsin-Stout. Para realizar el análisis, los hermanos desarrollaron un software llamado PVwindow que permite a los usuarios modelar el diseño de ventanas fotovoltaicas para simulaciones de edificios.
Los otros coautores, todos de NREL, son Janghyun Kim, Tom Daligault, Bryan Rosales, Chaiwat Engtrakul y Robert Tenent.****
Los edificios representan más de un tercio del consumo mundial de energía y casi la misma cantidad (28%) de emisiones globales de dióxido de carbono. Pero al combinar la energía fotovoltaica con tecnologías de ventanas de alto rendimiento térmico, los nuevos edificios pueden convertirse en una herramienta fundamental para combatir el cambio climático, señalaron los investigadores.
Los edificios de oficinas modernos destacan por sus imponentes fachadas de vidrio, un contrapunto a los días en que se construían con hormigón y ventanas de un solo panel. El Equitable Building en Nueva York, por ejemplo, tiene una proporción de ventana a pared del 25%. En comparación, la Torre Bank of America de la ciudad se inauguró en 2016, 101 años después, con una proporción del 71 %.
Edificios altamente vidriados
Los investigadores consideraron edificios con una relación ventana-pared del 95%, denominados "altamente vidriados", durante la mayor parte de su análisis para ilustrar claramente el impacto que tiene el vidriado en el rendimiento energético del edificio. Las mejoras en las tecnologías de acristalamiento, como las ventanas de triple panel, ayudaron a mejorar la eficiencia energética de los edificios, pero hasta ahora no se han adoptado ampliamente.
“No quiero sentarme aquí y decir que deberíamos construir edificios con mucho vidrio”, dijo Lance Wheeler. “Deberíamos estar construyendo edificios altamente eficientes. Pero si elegimos seguir construyendo estos edificios, tenemos que conciliar su menor rendimiento de alguna manera, y las ventanas fotovoltaicas son una forma de hacerlo”.
Los investigadores simularon el impacto de tres tipos diferentes de tecnologías de acristalamiento fotovoltaico, incluida la tecnología fotovoltaica conmutable de NREL . Se implementaron diferentes tecnologías de acristalamiento en un edificio en ocho ciudades, cada una en diferentes climas. Además de PVwindow, los investigadores también confiaron en las plataformas de software EnergyPlus y OpenStudio.****
Aislamiento térmico
Con tantas ventanas y la luz del sol entrando a raudales, los edificios con muchos cristales deben gastar una energía considerable para refrescar a los ocupantes. Las ventanas fotovoltaicas proporcionan aislamiento térmico para un edificio y utilizan la energía absorbida para generar electricidad. En el transcurso de un año, los investigadores encontraron una tendencia clara en las generaciones fotovoltaicas en climas con un clima que cambia fuertemente con la estación. Las simulaciones revelaron que en Denver, por ejemplo, la generación fotovoltaica en el sitio puede reducir a la mitad la carga de electricidad del edificio promedio por día para una estructura de 12 pisos muy acristalada. También determinaron que las ventanas fotovoltaicas en Denver podrían eliminar 2 millones de kilogramos de emisiones de dióxido de carbono al año.
Las simulaciones mostraron un aumento gradual en el rendimiento de cada una de las tres versiones diferentes de acristalamiento fotovoltaico estudiadas y demostraron una reducción del consumo de energía y las emisiones de dióxido de carbono en las ocho zonas climáticas.
Los investigadores encontraron que el uso de energía aumenta cuando un edificio tiene más ventanas que espacio en las paredes. Sin embargo, el uso de energía cae cuando se aumenta la relación e incluye el acristalamiento fotovoltaico. De hecho, una mayor altura de piso a piso junto con el acristalamiento fotovoltaico reduce el uso de energía del edificio. Combine el acristalamiento fotovoltaico con paneles fotovoltaicos en el exterior del edificio, en particular hacia el este y el oeste para capturar el sol de la mañana y la tarde, y este rascacielos puede alcanzar el cero neto.
“Imagine un horizonte en, como, la ciudad de Nueva York, donde hay estos edificios de gran altura que son completamente de vidrio”, dijo Wheeler. “Están completamente vidriados. La Torre de la Libertad tiene millones de pies cuadrados de vidrio. Podría ser una planta de energía en sí misma”.
El acristalamiento fotovoltaico podría combinarse con la energía solar en la azotea para aumentar la cantidad de electricidad generada, con el potencial de generar más energía de la que necesita un edificio mediante el uso de ventanas fotovoltaicas de alta eficiencia y una geometría de construcción única, señalaron los investigadores. La transición podría abordar los objetivos de cambio climático sin sacrificar la libertad arquitectónica de las fachadas altamente acristaladas.
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