ZEMCH 2019 International Conference Proceedings April.2020 | Page 294

1.
Introduction 
Energy  provision  through  integrated  active  solar  technologies  would  reduce  substantially   
residential  consumptions;  then  combination  with  passive  and  energy  efficiency  strategies  allow  to 
reach  buildings  with a  neutral  energy balance and surplus  production [1, 2]. This  work studies this 
residential capability in the city of Concepción, such is located in the South Hemisphere close to the 
Pacific  Ocean  (36°49S;  73°03W)  with  template  seasonal  climate.  It  is  the  central  county  of  the  main 
metropolitan area in the south of Chile, with an estimated population of 230,729 inhabitants [3]. This 
city is characterized by cold winters with an annual average temperature of 12.4 ºC, which generates 
mostly energy demands for heating. In contradistinction to cities in the south of Europe with similar 
latitude, like Seville (37°N,5.99W) or Barcelona (41°N,2°W), higher temperatures are observed (annual 
average of 19.2 °C and 16.1 °C respectively) [4]. Also, a deficit in constructive quality of dwellings is 
common  in  this  context,  which  implies  higher  energy  consumption  [5–7].  Then,  to  achieve  neutral 
annual energy balance (Net‐Zero houses), implies larger solar capture areas (more than 0.6 m2 per m2 
built  area  estimated  in  northern  hemisphere)  [8].  But,  typical  energy  demands  could  be  mitigated 
through  passive  strategies  [7,9].  Besides,  to  deploy  larger  solar  collectors,  become  useless  after 
supplying the own demands, then surplus should feed for other uses and/or the urban grid [10,11], like 
the  approach  regarded  in  Plus‐Energy  homes  [12].  As  well  as  in  the  concept  of  Powerhouse,  such 
involves the full life cycle of buildings, including the construction process, a life expectancy of 60 years 
of use and the demolition, regarding the required energy generated by on‐site renewables sources [13]. 
The overall integrated solar potential of buildings has been analysed previously in the same city 
[14]; and extreme cases of houses by geometry of roofs to integrate collectors have been reviewed [8]. 
In  this  study,  a  single‐family  dwelling  model  observed  with  highest  solar  potential  in  the  previous 
work is selected, because it shows also important capability of radiation capture in the front and back 
façade with passive solar collection.   
The  active  solar  technologies  considered  are:  Building  Integrated  Photovoltaic  (BIPV)  [15,16], 
Building Integrated Solar Thermal with Liquid Fluid (BISTw) [17]; hybrid Building Integrated Solar 
Thermal‐Photovoltaic, with Air as Thermal Fluid (BIPVTa) [1] and with liquid fluid (BIPVTw) [18–20]. 
To estimate the overall capability and thermal efficiency of these technologies, the F‐Chart tool is used 
[21]. This tool is based on equations that predicts solar thermal capability with an error expected of 
between 1.1% to 4.7% in relation to dynamic simulation methods, and up to 15% to real measurement 
data [22]. To estimate the thermal efficiency in liquid fluid, the performance of Wunder CLS 1808 model 
of Solimpeks@ product are adopted. This product has a coefficient of absorption η0 = 0.763 and thermal 
loss a0 = 3.514 Wm‐2K‐1, with a collection surface of 1.23 m2 per unit. The technologies described and 
their performance have been previously analysed in the local context [14, 23, 24]. The efficiency rates 
and sizes of the solar panels has been used in a recent research [24]. The PV panels dimensions are 1660 
mm x 830 mm x 45 mm; and electrical efficiency is 12% compared to available irradiation (considering 
average efficiency of 16% and expected losses of 25%) [25]. The BIPVa hybrid has an estimated thermal 
efficiency  to  three  times  the  direct  electrical  efficiency  [26,27].  An  8%  is  considered  for  electrical 
efficiency with a hybrid collector, and the considered size of BISTw and BIPVTw collectors is 1660 mm 
x 830 mm x 90 mm.   
2.
Materials and Methods   
Based on a register of Real Estate Developments in the city [8, 14, 24], a model is chosen due its 
relevant possibilities for active and passive solar collection (Fig. 1 Left). The selected design has in back 
side a larger roof sides with potential for solar capture; complementary to three windows that serve 
two rooms and the living room, which can provide passive solar capture. Additionally, in the front 
façade are the access, stairs, two bathrooms and only one room restricted from direct irradiation. Then, 
the design is adapted with one room more in the second storey to get a regular roof geometry without 
shadow and more capture of solar passive energy through one extra window (Fig.1 Right). 
283
ZEMCH 2019 International Conference l Seoul, Korea