Investigation of an autonomous energy system for the ICELABPATAGONIA II in Karukinka Natural Park, Chile

"In the ICELABPatagonia project, different laboratories for Karukinka National Park in Chile were designed. The main objective of these laboratories was to provide shelter against the area’s tough weather conditions, specifically intended for small groups of researchers. The goal behind this design was ensuring environmental preservation as a priority. In order to achieve this, the buildings were required to not produce waste during the construction stages and as well as post construction. In a second stage (the project ICELAB II), a design between five possible candidates was selected and later built. This thesis is meant to provide an in depth review of such design. It has been divided into two stages: The first step consists of taking advantage of natural lighting and reducing energy usage for heating. This was accomplished through the addition of new openings and the installation of insulation materials in walls, roofs, floors and windows. DesignBuilder software was used to simulate the alternate results of installing insulation materials, glazing, air tightness and opening percentages alternatives. As a result, when using fiber glass bats insulation the total heating loss was reduced by 60% from the original design. In addition, electrical demand was reduced by 0.8kWh/day as a result of installing new windows. Natural ventilation was considered as an alternative for cooling the building during summer to avoid overheating. The second step involves the design of an autonomous energy system using photovoltaic cells, consisting of a standalone system which provides the building with electricity without being connected to the grid or requiring a backup system. An 8 module (260kWp) system was selected together with a 4086Ah and 24V battery pack, to supply a 7.26kWh/day demand." "Para el proyecto ICELAB Patagonia se diseñaron diferentes laboratorios para el Parque Nacional Karukinka en Chile. Estos edificios tenían como objetivo poder alojar entre 5 a 10 días a un número reducido de investigadores proveyéndoles refugio frente a las arduas condiciones climáticas presentes en la región. Al mismo tiempo, es prioritario la conservación del área, ya que se trata de una zona virgen, debido a esto los edificios diseñados no debían generar ningún tipo de desecho durante su construcción y posterior uso. En una segunda fase del proyecto (ICELAB II), se selecciono un diseño entre cinco posibles candidatos para ser posteriormente construido. El objetivo de esta tesis es trabajar sobre el diseño elegido, en dos etapas. La primera consiste en introducir mejoras en los sistemas de aislación de paredes, techo, piso y ventanas, que aseguren una estancia confortable, y al mismo tiempo una reducción en el consumo de energía debido a la calefacción. Mediante la utilización del software DesignBuilder, diferentes materiales aislantes y Maria Paula Alfonso Master's in Energy Technologies Final Thesis - MSc ENTECH Karlsruhe Institute für Technologie - Instituto Tecnológico de Buenos Aires coeficientes de infiltración fueron modelados. La utilización de fibra de vidrio permitió reducir las pérdidas de calor en un 60%. A su vez, el aumento del número de ventanas generó un mayor aprovechamiento de la luz natural, reduciendo el uso de luz artificial en 0.8kWh/día. Por último el uso de ventilación natural fue estudiado como sistema de refrigeración para el verano, de forma de evitar el sobrecalentamiento del edificio durante esta época, dando óptimos resultados. La segunda etapa supone el diseño de un sistema autónomo de energía (basado en energía fotovoltaica) que brinde electricidad al laboratorio. Este sistema debe poder suplir las necesidades de los usuarios (7.26kWh/día) sin contar con integración a la red eléctrica del país o a un sistema auxiliar. Utilizando el software PVsyst junto con cálculos manuales un sistema compuesto por 8 módulos solares de 260kWp, junto con un set de 18 baterías (con una potencia total de 4086Ah y 24V) fue seleccionado como mejor opción para todo el año. Finalmente, se estudió la posibilidad de reducir el sistema ya que el proyecto original no contempla el uso del laboratorio durante invierno. Este caso resultó en un sistema formado por 15 baterías y 4 paneles solares en lugar de 18 y 8 respectivamente." Tesis Energía y Ambiente (maestría) - Instituto Tecnológico de Buenos Aires, Buenos Aires - Karlsruher Institut für Technologie, Karlsruhe, 2017