Riesgo de incendio relacionado con el uso de sistemas fotovoltaicos en fachadas de edificios

Fecha: 25 de enero de 2023

Autores: Lamberto Mazziotti, Piergiacomo Cancelliere, Giuseppe Paduano, Paolo Setti y Samuele Sassi

Fuente:MATEC Web de Conferencias, Volumen 46

DOI:https://doi.org/10.1051/matecconf/20164605001

Hoy en día, el uso de sistemas fotovoltaicos (FV) en edificios no solo está relacionado con la conversión de la energía solar en eléctrica, sino que estos módulos o paneles fotovoltaicos también podrían usarse con características estéticas o, más aún, como sistemas de protección térmica en fachadas de edificios.

Gracias al desarrollo técnico de la industria fotovoltaica, el sistema fotovoltaico puede integrarse fácilmente desde el punto de vista arquitectónico en elementos de construcción de edificios como cubiertas, componentes de fachadas verticales, tanto con superficies opacas como transparentes. Además, los elementos de fachadas de construcción fotovoltaica también podrían proporcionarse mediante aberturas como puertas o ventanas.

Los análisis de accidentes muestran que el uso de sistemas fotovoltaicos como elementos de construcción podría aumentar el riesgo de incendio en los edificios. De hecho, los datos nacionales e internacionales informan de un número creciente de incendios provocados por sistemas fotovoltaicos aplicados o integrados en edificios. El Servicio Nacional de Bomberos de Italia, que es la autoridad competente en materia de seguridad contra incendios en edificios (en Italia), publicó en 2012 unas Directrices para evaluar y mitigar el riesgo de incendio cuando se instala un sistema fotovoltaico en un edificio como una fachada o como un techo. La Guía aborda no solo la reducción de las causas de ignición de incendios fotovoltaicos y los aspectos relacionados con la propagación del fuego debido a las partes combustibles que constituyen los módulos o paneles fotovoltaicos, sino que también tiene en cuenta la seguridad tanto del personal de mantenimiento como de los equipos de rescate.

Este artículo se centra en los aspectos de seguridad contra incendios relacionados con el uso de paneles y sistemas fotovoltaicos contra incendios en fachadas de edificios, mostrando algunos datos experimentales interesantes relacionados con el comportamiento al fuego de estos componentes y subrayando los factores que favorecen la propagación del fuego, como la alta temperatura de operación. temperatura del propio sistema fotovoltaico.

Los sistemas fotovoltaicos (PV) aprovechan el efecto fotovoltaico para convertir la radiación solar en energía eléctrica. Las políticas de incentivos ambientales en todo el mundo están apoyando el uso de convertidores de energía eléctrica solar fotovoltaica. Durante la última década, incluso durante períodos difíciles de consolidación de la industria y crisis económica, se ha registrado un aumento considerable en las instalaciones de plantas fotovoltaicas. De hecho, el mercado fotovoltaico mundial ha marcado un crecimiento récord en 2011, cediendo en 2012 y creciendo de nuevo en 2013. Solo en 2013, las plantas fotovoltaicas han producido al menos 38,4 GW de capacidad nueva y casi 11 GW solo en Europa, alcanzando más de 138 GW de potencia eléctrica instalada en todo el mundo [1].

Los sistemas fotovoltaicos para edificios están diseñados y construidos no solo para realizar la función de producción de energía eléctrica, sino también para ser colocados como elementos de construcción con el fin de proteger el edificio de la acción del agua, la nieve, los choques mecánicos o para cumplir con los requisitos relacionados. a la clasificación energética del edificio y al confort térmico.

Los fotovoltaicos ofrecen un enorme potencial para los diseñadores de edificios, pero, sin embargo, deben vigilarse con mucho cuidado en términos de riesgo de incendio.

Los PV pueden influir en la orientación, el espacio, el diseño y la forma del edificio; afectarán la estructura del edificio y serán un elemento importante de los sistemas ambientales y de construcción. Deben considerarse como parte integral de la estrategia energética del edificio y de su funcionamiento. La integración de los PV con los otros elementos del edificio es fundamental para el éxito y la apariencia y la estética son, como siempre, especialmente importantes. Los productos de construcción fotovoltaicos de hoy pueden ser elementos constructivos importantes de las envolventes de construcción de edificios y, a menudo, forman parte de sus fachadas.

Muchos revestimientos fotovoltaicos se pueden considerar paneles de vidrio a los que se aplican células fotovoltaicas y, por lo tanto, se puede aprovechar la amplia experiencia de las fachadas acristaladas. Además, los módulos se pueden incorporar fácilmente en otros sistemas probados, como el revestimiento de pantalla de lluvia.

Los sistemas de muros cortina son una tecnología bien establecida que se utiliza en numerosos proyectos de prestigio, como las oficinas del centro de la ciudad. El sistema de vigas de parteluz/travesaño es el más común. Las áreas de visión son normalmente de doble acristalamiento y las áreas sin visión son de vidrio opaco o paneles metálicos aislados. Los módulos fotovoltaicos se pueden incorporar fácilmente como unidades de doble acristalamiento ensambladas en fábrica. El panel exterior puede ser vidrio laminado sobre el cual se aplica vidrio de resina fotovoltaica; luego tenemos el panel interior (vidrio). También se coloca un espacio de aire sellado entre los dos vidrios. El grosor total del módulo normalmente sería inferior a 30 mm. Como ejemplo, la siguiente figura muestra una fachada fotovoltaica de la terminal del aeropuerto de Bari Palese (Italia).

Dado que el primer objetivo de los sistemas de conversión de energía es la eficiencia, el diseño y la instalación de sistemas fotovoltaicos se centran principalmente en aspectos de eficiencia para aprovechar al máximo la cantidad de radiación solar. Por lo tanto, el riesgo de incendio debido a una instalación de un sistema fotovoltaico generalmente no está bien abordado. Según una encuesta reciente del Cuerpo Nacional de Bomberos (Italia), se han producido alrededor de 1600 accidentes relacionados con incendios en las casi 560 000 plantas fotovoltaicas instaladas actualmente en Italia. Recientemente se han producido algunos incendios graves en edificios con sistemas fotovoltaicos en muchos países europeos y en los EE. UU. Aunque los convertidores de energía solar fotovoltaica no son la causa de la ignición, en caso de que se produzca un incendio en los edificios de alojamiento, mejorarán la propagación del fuego y activarán los mecanismos de propagación de la llama. Por lo tanto, los problemas de seguridad contra incendios de un convertidor de energía solar fotovoltaica deben abordarse tanto como causa como víctima de un incendio. De hecho pueden ser los causantes del incendio que lo sufren y contribuir a su propagación.

El artículo comienza con una sección en la que se ilustran las causas principales y los mecanismos defectuosos de ignición de incendios fotovoltaicos, y continúa con una sección dedicada a la guía de seguridad contra incendios fotovoltaicos emitida por los Servicios Nacionales de Bomberos de Italia. La tercera sección trata sobre la importancia de los procedimientos de prueba para la caracterización de la resistencia al fuego de los módulos fotovoltaicos.

Los datos experimentales demostraron que se debe prestar especial atención a los aspectos tecnológicos de los sistemas fotovoltaicos y, sobre todo, a la posible reducción de algunos defectos críticos de producción, que se deben evitar para reducir el riesgo de incendio en los edificios.

Dado que las plantas eléctricas fotovoltaicas son un subconjunto de la familia de plantas eléctricas, muestran las dos causas principales de ignición de incendios eléctricos: sobrecarga y cortocircuito. Además, si una planta eléctrica fotovoltaica se diseña e instala de acuerdo con las recomendaciones de los códigos eléctricos nacionales, europeos o internacionales (es decir, NFPA 70, IEC 60364-7-712, CEI 64-8), el riesgo de incendio debido a sobrecarga y cortocircuito está bien abordado y mitigado. Además, las características de salida de la celda fotovoltaica muestran una corriente de cortocircuito un poco mayor que la nominal.

Desafortunadamente, las plantas de energía fotovoltaica muestran un conjunto de causas propias de la ignición eléctrica de incendios. Hay dos consideraciones principales para la seguridad contra incendios de los sistemas fotovoltaicos [2]: los componentes y sistemas fotovoltaicos podrían causar incendios: "escenario de incendio de origen"; Los incendios pueden ser causados ​​por fuentes externas: "escenario de víctimas de incendios".

El arco (arco en serie, arco en paralelo, arco a tierra) es una de las principales causas de ignición del fuego [3]. Otra causa importante de ignición del fuego está relacionada con el mecanismo denominado en la literatura como "punto caliente" [4]. Un punto caliente en un módulo fotovoltaico produce un calentamiento localizado en la lámina posterior que podría encenderse y provocar un incendio adecuado. El flujo de corrientes inversas en un módulo debido a las sombras oa la desalineación de las celdas fotovoltaicas es responsable del mecanismo de ignición del fuego llamado "desajuste" [5]. La falta o mala conexión entre módulos, strings (una conexión en serie de dos o más módulos) e inversor podría generar una cantidad suficiente de energía térmica que podría provocar un incendio (como se representa en la Fig. 2).

Además, durante un evento de incendio fotovoltaico no es posible apagar todo el sistema de energía para garantizar que todos los componentes estén desenergizados, mientras que el módulo fotovoltaico y los paneles están expuestos a la luz solar o artificial [6]. Siempre que varios módulos fotovoltaicos en serie generan suficiente tensión, existe el riesgo de descargas eléctricas. Se puede usar un voltaje de corriente continua (CC) más alto en los sistemas fotovoltaicos porque puede reducir el tamaño del cableado y aumentar la eficiencia del inversor. Por lo tanto, los peligros eléctricos para los bomberos involucrados en la mitigación de un incendio relacionado con los módulos fotovoltaicos [7] también deben tenerse en cuenta y abordarse en un edificio fotovoltaico.

La presencia de sistemas fotovoltaicos en los edificios, tanto aplicados (BIPV) como integrados (BIPV), podría empeorar el nivel de riesgo de incendio existente debido a que los módulos, paneles y componentes fotovoltaicos podrían contribuir significativamente a la propagación del fuego por el exterior o a través de la construcción, interfiere con el sistema de evacuación de humos y de los productos de la combustión, obstaculiza las operaciones de extinción de incendios e introduce un peligro adicional de descarga eléctrica para los bomberos y socorristas ante la presencia de elementos del circuito energizados.

Los Servicios Nacionales de Bomberos de Italia han emitido una Directriz [8], [9] y [10] con el objetivo de reducir el brote de un incidente relacionado con incendios fotovoltaicos y sus consecuencias en los edificios anfitriones y las obras de construcción. La guía se ha desarrollado con un enfoque no prescriptivo; de hecho, según el Reglamento del Producto de Construcción – Reglamento CPR [11] (UE) n.305/2011 de 9 de marzo de 2011, la evaluación y mitigación del riesgo de incendio como consecuencia de la instalación de una planta fotovoltaica en un edificio debe realizarse para cumplir con el requisito básico n. 2 de obra: "Seguridad en caso de incendio". El requisito básico n. 2- Seguridad en caso de incendio- afirma que una obra de construcción debe diseñarse y construirse de tal forma que en caso de producirse un incendio,

(1) La capacidad de carga de la construcción se puede suponer para un período de tiempo específico; (2) Se limite la generación y propagación de fuego y humo dentro de las obras de construcción; (3) La propagación del fuego a las obras de construcción vecinas es limitada; (4) Los ocupantes pueden abandonar el trabajo de construcción o ser rescatados por otros medios; (5) Se tiene en cuenta la seguridad de los equipos de rescate.

El diseño y la instalación de una planta de energía fotovoltaica deben llevarse a cabo para cumplir con el requisito básico n. 2 enumerados anteriormente, que abordan los siguientes problemas:

En [12] se presenta un análisis y una discusión completos de la directriz italiana para la seguridad contra incendios de los sistemas fotovoltaicos aplicados o integrados en edificios.

Uno de los principales objetivos de seguridad contra incendios para el diseño de un edificio es restringir la propagación vertical del fuego para que el humo y las llamas se limiten al piso de origen del fuego. Las nuevas topologías de fachadas de edificios y muros cortina podrían superar las preocupaciones por la seguridad contra incendios, por lo que el servicio nacional de bomberos de Italia ha publicado una Directriz del Código de Incendios para abordar el diseño de seguridad contra incendios para una fachada de edificios de gran altura [13].

Como es bien sabido, las fachadas más utilizadas se construyen con una serie de capas de materiales que aumentan las prestaciones aislantes y fonoabsorbentes sin consideraciones de combustibilidad y tendencia a la participación en el fuego. Por este motivo, muchas veces, la ignición de una fachada se convierte en un grave problema para la protección de personas y bienes. Además, si un incendio comienza a nivel de la carretera, es decir, un automóvil en llamas o un contenedor de basura, y enciende la fachada de un edificio cercano cubierto o completamente construido por materiales combustibles, teniendo en cuenta la posición vertical del combustible y la presencia ilimitada de comburente cantidad (el oxígeno en la atmósfera), la fachada de fuego podría convertirse en una verdadera antorcha enorme. Para reducir la vulnerabilidad del sistema general de construcción de la cubierta, los materiales ligeros, de alto aislamiento y absorbentes del sonido, así como los revestimientos y cubiertas fotovoltaicas utilizados en la construcción de una fachada, deben tener una reacción al fuego adecuada. La siguiente sección informa sobre las caracterizaciones de resistencia al fuego de los módulos y paneles fotovoltaicos utilizados como sistema aplicado o integrado en la edificación.

La propagación del fuego y la propagación de las llamas en el techo o la fachada de un edificio están fuertemente influenciadas por la reacción al fuego del techo y los productos y materiales de construcción. De hecho, la reacción al fuego de un producto de construcción se ocupa de características como la ignición, la propagación de la llama, la tasa de liberación de calor, la producción de humo y gas y la aparición de gotas ardientes.

La clasificación de resistencia al fuego de los módulos fotovoltaicos en el mercado de la UE no es obligatoria; de hecho, cuando la norma internacional de módulos fotovoltaicos IEC 61730-2 "Cualificación de seguridad de los módulos fotovoltaicos (PV) - Parte 2: Requisitos para la prueba" se convierta en la norma europea EN 61730-2, la Prueba de fuego MTS 23 podría realizarse solo si lo solicita el fabricante de los módulos fotovoltaicos. La prueba MTS 23 se lleva a cabo de acuerdo con el estándar ANSI UL/790 ("Estándar para métodos de prueba estándar para pruebas de fuego de cubiertas de techo"), y la clasificación de rendimiento de fuego de los módulos fotovoltaicos varía de Clase C a "clasificación de fuego fundamental". – , a Clase B a Clase A– "índice de resistencia al fuego más alto"– ; la norma también requiere una clasificación mínima de resistencia al fuego de Clase C para cualquier módulo montado en un edificio. Además, la norma UL 790 aborda dos problemas de protección contra incendios: la propagación de llamas a lo largo del techo y la penetración del fuego.

La norma EN 61730-2 también establece que la prueba MTS 23 especifica los requisitos fundamentales y puede no ser suficiente para satisfacer las necesidades de un módulo destinado a aplicaciones de construcción de acuerdo con los requisitos del código de incendios de construcción local o nacional.

Siguiendo la última oración, los Servicios Nacionales de Bomberos de Italia, que es la Autoridad competente para la seguridad contra incendios en Italia, de acuerdo con las actividades experimentales llevadas a cabo por el Área de Protección Pasiva contra Incendios de la Dirección Central de Prevención de Incendios y Seguridad Técnica, ha emitido un nacional Resolución para ensayar y clasificar la Reacción al fuego de los módulos fotovoltaicos.

Dado que la clasificación del comportamiento al fuego y la certificación de materiales con fines de prevención de incendios están reguladas por el Decreto del Ministerio del Interior emitido el 26 de junio de 1984 [14], la Resolución FV establece que un módulo FV puede clasificarse siguiendo la Clasificación Italiana de Reacción al fuego proporcionada por las normas, métodos de ensayo y procedimientos de clasificación establecidos en el citado Decreto.

Las clasificaciones nacionales de desempeño de reacción al fuego para materiales combustibles se determinan utilizando los resultados de una combinación de las tres pruebas que se muestran a continuación:

Tabla 1. Clasificación italiana de reacción al fuego de materiales.

La Tabla 1 ilustra cómo se combinan los resultados de salida de cada prueba para producir las clasificaciones nacionales generales: los materiales y productos combustibles se dividen en 5 categorías, 1, 2, 3, 4 y 5, siendo 1 el mejor nivel de rendimiento y 5 el peor. . La tabla se deriva de UNI 9177 "Reacción al fuego-clasificación de productos combustibles" [18].

La prueba UNI 8457 aplica una pequeña llama de ignición en el borde inferior de la muestra bajo prueba durante 30 segundos, observando y midiendo la velocidad de propagación de la llama, la zona dañada de la muestra, el tiempo de posinflamación y las gotas/partículas inflamadas.

La UNI 9174 trata del comportamiento de reacción al fuego de productos que pueden ser alcanzados por una llama y un calentamiento radiante; el espécimen bajo prueba se coloca sobre un soporte incombustible expuesto a un panel radiante y golpeado por una llama en la parte inferior del espécimen. Durante la prueba, el calor emitido por el panel radial es igual a 6,2 W/cm2. Durante la prueba del panel radiante, se observan y registran los siguientes parámetros:

La siguiente figura muestra el resultado de una prueba de fuego en un módulo fotovoltaico de fachada durante la prueba con una llama en presencia de calor radiante: la imagen de la izquierda de la figura destaca la separación de capas debido a la combustión de la lámina posterior fotovoltaica, mientras que el centro de la figura muestra la mecánica de la lámina posterior fotovoltaica abrasador. La parte derecha de la figura muestra la altura de la llama durante la combustión fotovoltaica.

La clasificación de reacción al fuego de clase 1 según el procedimiento de prueba italiano ilustrado arriba se puede lograr fácilmente para módulos fotovoltaicos del tipo "vidrio a vidrio". En la tecnología de módulos fotovoltaicos más común, el vidrio solo se usa en el lado expuesto al sol, mientras que la lámina posterior generalmente está constituida por materiales combustibles. El comportamiento de propagación de la llama, así como la velocidad de propagación de la llama, están estrictamente relacionados con los materiales elegidos para construir una lámina posterior del módulo fotovoltaico. Para cumplir con los requisitos del código italiano de reacción al fuego, un fabricante de módulos fotovoltaicos debe evaluar el material elegido para construir un módulo fotovoltaico de reacción al fuego adecuado. En [19] se proporciona una explicación detallada del método italiano de reacción al fuego aplicado a la caracterización de módulos fotovoltaicos.

En términos de construcción, los sistemas fotovoltaicos integrados en edificios deben desempeñar el mismo papel que los elementos tradicionales de revestimiento de paredes y techos a los que reemplazan. En consecuencia, deben abordar todos los aspectos normales de un producto de construcción, es decir, apariencia, hermeticidad a la intemperie y protección contra los elementos, carga de viento, vida útil de los materiales y riesgos y consecuencias de fallas y todos los aspectos de seguridad (construcción, incendio, electricidad, etc.). .).

Los módulos y sistemas fotovoltaicos aún no están regulados por ninguna norma europea armonizada. Existe un proyecto europeo realizado por un grupo de trabajo y presentado recientemente a CEN ad CENELEC titulado "prEN 50583 Photovoltaics in Buildings:2012" [20]. Esta prEN introduce por primera vez la definición de los términos BIPV y BAPV.

Los BIPV son módulos fotovoltaicos integrados en edificios que proporcionan una función tal como se define en la Directiva europea de productos de construcción CPD 89/106/CE [11]. Por lo tanto, un módulo fotovoltaico puede considerarse como un BIPV si participa en la integridad de la funcionalidad del edificio. En otras palabras, si se desmonta un módulo fotovoltaico integrado, tendría que ser reemplazado por un componente de construcción apropiado. Esto significa que los módulos BIPV deben poder realizar una o más de las siguientes funciones:

Los BAPV se consideran fotovoltaicos adjuntos al edificio, si los módulos fotovoltaicos están montados en la envolvente de un edificio y no cumplen los criterios anteriores para la integración del edificio. Esto significa que la integridad de la funcionalidad del edificio es independiente de la existencia de un módulo fotovoltaico adjunto al edificio.

Además, el proyecto de norma europea introduce varias categorías de aplicación y las subdivide en los requisitos esenciales de la Directiva europea de productos de construcción. Los elementos de la fachada se clasifican en la Categoría C y la Categoría D, como se indica en la Fig. 4.

La prEN 50583 asigna requisitos específicos de aplicación a los módulos fotovoltaicos divididos en las categorías principales "que contienen" y "que no contienen paneles de vidrio".

Para la seguridad en caso de incendio, los requisitos generales para todas las categorías de BIPV se refieren a la norma EN 13501-1, con un requisito mínimo de reacción europea al fuego clase E. Para elementos fotovoltaicos de fachada de categoría C, la clasificación al fuego debe realizarse de acuerdo con EN 13501-2 y EN 13501-5, mientras que la Categoría D requiere solo EN 13501-2 Clasificación al fuego. Para láminas de goma y plástico flexible fotovoltaico, el comportamiento frente al fuego podría requerir la clasificación Broof T1, T2, T3 o T4 según EN TS 1187:2012.

La seguridad es una preocupación primordial para la industria fotovoltaica (PV). Como tecnología desplegada en edificios residenciales y comerciales, es fundamental que la energía fotovoltaica no cause daños a los edificios ni perjudique a los ocupantes. La cuestión de una norma armonizada europea podría ser útil para hacer que los módulos fotovoltaicos de fachada sean inherentemente más seguros, especialmente contra el riesgo de incendio.

La conclusión principal es que la reducción del riesgo de incendio, la propagación del fuego y los mecanismos de ignición adecuados causados ​​por dichos sistemas están fuertemente relacionados con una evaluación de riesgos adecuada y precisa de las instalaciones fotovoltaicas del edificio y con los aspectos de prueba, calificación y certificación del comportamiento del fuego de los elementos fotovoltaicos de la fachada. La combinación de módulos fotovoltaicos más seguros con mejores diseños de sistemas puede resolver muchos de los problemas de seguridad observados con los sistemas fotovoltaicos de fachada actuales.

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