Methods of retrofit office Buildings’ envelopes in Egypt to integrate photovoltaic cells and its effect on energy production سبل تعديل التشکيل المعماري لواجهات المباني الادارية بمصر لدمج الخلايا الفوتوفولتية وتأثيرها علي انتاجية الطاقة

Abstract

The architectural formation of the building envelope contributes to determining energy efficiency. The orientation of the openings, shapes and relationship with other elements influence energy consumption rates and determine their environmental performance. It was found that most of administrative buildings' envelopes lead to an increase in the level of solar radiation penetrating inside, high temperatures in summer and losing it in winter in a way that leads to an increase in the loads related to cooling operations, especially in hot areas, Hence there is a need to modify the envelopes of existing administrative buildings with the integration of photovoltaic cells to increase the amount of energy produced from PVs and achieve the lowest possible energy consumption. This study was applied to an administrative building in Assiut Governorate. The research aims to study the effect of facades retrofitting on the photovoltaic cells' energy production. the energy production of photovoltaic cells on the building was simulated without façade modification (Base case), then adding modifications to façade, evaluating the energy production of every model, compare between the (Base case) and the alternatives. Our study indicates that increasing PV façade's area only isn't sufficient to increase energy production, but we must consider the position and orientation of the cells also. the highest energy production of the photovoltaic cells in the horizontal position in compare with vertical position. The second alternative (the gradient horizontal interface) achieved the highest energy production (102 kw/h) compared to the rest of the alternatives and the base case (25.7 kw/h). يساهم التشكيل المعماري لغلاف المباني في تحديد كفاءة استخدام الطاقة، حيث يؤثر توجيه الفتحات وأشكالها وعلاقتها مع العناصر الأخرى والتقنيات المستخدمة في تشكيله من تحديد معدلات استهلاك الطاقة وتحديد أدائها البيئي[1]. وجد أن معظم أغلفة المباني الإدارية تؤدى إلى زيادة مستوى الإشعاع الشمسي النافذ إلى الداخل وارتفاع درجات الحرارة صيفاً وفقدانها شتاءً بصورة تؤدي إلى زيادة الأحمال الخاصة بعمليات التبريد خاصة في المناطق ذات المناخ الحار، وأدوات التظليل الخارجية لا تستطيع وحدها تعزيز ضوء النهار وتقليل الإشعاع الشمسي النافذ و تقليل الأحمال الحرارية[2]. حيث أن المباني الإدارية من أكبر القطاعات استخداماً للطاقة و يتم بها الاعتماد كلياً على مصادر الإضاءة الصناعية وأجهزة التكييف[3]، من هنا ظهرت الحاجة إلى تعديل واجهات المباني الإدارية القائمة مع دمج التقنيات المنتجة للطاقة (الخلايا الفوتوفولتية محل الدراسة) مع واجهات المباني كأداة لتحسين أدائها البيئي ورفع قدرتها على إنتاج الطاقة. تعرف الخلايا الفوتوفولتية المتكاملة مع أغلفة المباني بأغلفة الخلايا الفوتوفولتية أو Building integrated photovoltaics cells (BIPV) وهي عبارة عن مواد فوتوفولتية تستخدم لتأخذ مكان مواد البناء التقليدية في بعض أجزاء غلاف المبنى كالأسقف، المناور، الواجهات وغيرها، حيث تستخدم في المباني الحديثة كمصادر رئيسية أو مساندة للطاقة[4]. ويهدف هذا البحث إلىدراسة تأثير تعديل التشكيل المعماري لواجهات المباني الإدارية على إنتاجية الخلايا الفوتوفولتية واستهلاك الطاقة والاستغلال الأمثل للواجهات مع تحسين أدائها البيئي لتوفير الراحة للمستخدمين وبالتالي فهناك حاجة إلى تقديم وتقييم بدائل لدمج الخلايا الفوتوفولتية على واجهات المباني القائمة. وتم تحقيق هدف البحث من خلال دراسة أنسب أنواع الخلايا الفوتوفولتية للاستخدام فى مصر ثم تطبيقها أولاً على المبنى بدون تعديل للواجهة (Base case) ،ثم دراسة العديد من سبل التعديل الافقية والرأسية علي واجهة المبني واختيار عينة عشوائية من هذه البدائل واجراء عملية محاكاة للطاقة لكل بديل من هذه البدائل لاستخراج كمية الطاقة المنتجة من كل بديل و أخيراً مقارنة إنتاجية الخلايا فى وضع (Base case) مع هذه البدائل لمعرفة مدى تأثيرها على انتاجية الطاقة. ويعتبر موضوع البحث من الدراسات الفقيره جداً فى مصر، حيث تم تنفيذ منهجيات مشابهة من قبل فى مناطق ذات مناخ بارد فى عدة دراسات سابقة منها دراسة تم نشرها عام 2012م وتهدف الي تحسين كفاءة الطاقة باستخدام عدة تطبيقات منها الخلايا الشمسية عن طرق تعديل أغلفة المدارس فى تركيا[5]، أما فى مصر طبقت ذات المنهجية باستخدام تطبيقات اخرى غير الخلايا الفوتوفولتية فمثلاً قامت (يمنى منير وآخرون، 2016م) بتعديل واجهة مبنى إداري باستخدام الأنظمة الحركية مثل المظلات المتحركة وتمت محاكاة البدائل باستخدام برنامج Design builder[6] ، وفى ليبيا قام (فريوان وآخرون،2020م) بدمج الخلايا الشمسية على غلاف مبنى سكني فى مدينة سبها مباشرة بدون تعديل فى التشكيل المعماري للغلاف[7]، وتم عمل محاكاة لأربعة أنظمة من واجهات الخلايا الشمسية والمقارنة بينهم من حيث الأفضل فى درجة الحرارة الداخلية فى بحث ل [8](Yang,et.al,2019). فى هذه الدراسة قام الباحث بالدمج بين أساليب الدراسات السابقة للوصول لهدف البحث، وبينت الدراسة أن زيادة المساحة المطبق عليها الخلايا الفوتوفولتية وحدها لا تكفى لزيادة انتاجية الطاقة ولابد من وضع عامل وضعية الخلايا واتجاهها فى فالاعتبار، وان في المناخ محل الدراسة (محافظة أسيوط) تحقق الخلايا الفوتوفولتية في الواجهات الجنوبية الغربية أعلى انتاجية للطاقة فى الوضع الأفقى وأقلها فى الوضع الرأسى. فالبديل الثانى (الواجهة الأفقية المتدرجة) حقق أعلى انتاجية للطاقة (102 كيلووات/ساعة) مقارنة بباقي البدائل والوضع الأساسي (25 كيلووات/ساعة).

Keywords

• retrofitting
• office building
• photovoltaic cells
• envelope
• design builder تعديل التشكيل المعماري، المباني الإدارية، الخلايا الفوتوفولتية، غلاف المبنى، برنامج design builder