Simulation and analysis of the energy demands for roof-mounted photovoltaic snow mitigation systems

Abstract

The use of solar panels, or photovoltaic (PV) systems, has been available for some decades, and solar technology is improving by the day. In addition, to facilitate solar energy production, the technology has evolved, and some PV systems provide a heating mode that can mitigate snow loads on roofs. The requirements for building structures were less strict in the past decades and some areas are predicted to experience more intense and heavy snow weather due to global warming. A consequence of these two factors is that existing building stock is not necessarily designed to tolerate the load from heavier snowfall and extra dead load from the solar panels. This thesis used The Energy Balance Snow Cover Integrated Model (ESCIMO) to simulate the snow water equivalent (SWE) with an added heat source. A validation case was conducted using observed snow load data from a melting scenario with PV mitigation systems on a building in Porsgrunn, Norway, to compare the melt rate using the ESCIMO model for simulation. Different strategies for snow load reduction were investigated on target levels for initiating melting. The melting energy, temperature restrictions, and a snow load buffer were tested over 39 years with modelled weather data on six sites with various climate conditions. A simulation program for heat transfer through building components, WUFI, was used to investigate the energy efficiency of a PV panel.

Bruken av solcellepanel, eller solcelleanlegg, har eksistert i flere tiår, og solenergiteknologien blir både bedre for hver dag og mer tilgjengelig for publikum. I tillegg til å utnytte solenergi, har teknologien utviklet seg og noen solcelleanlegg har en smeltemodus for å redusere snølast på tak. Kravene til bygningskonstruksjoner har vært lavere de siste tiårene og i noen områder forventes det større og mer intenst snøvær. Eksisterende bygningsmasse er ikke nødvendigvis designet for å tåle belastningen fra høy snølast og den ekstra vekten av solcellepanelene. I denne oppgaven er The Energy Balance Snow Cover Integrated Model (ESCIMO) brukt for å simulere snøvannekvivalenten (SVE) med en tilføyd varmekilde. En validering ble utført ved å bruke observerte snølastdata fra et smeltescenario med solcelleanlegg fra en bygning i Porsgrunn, Norge, til å sammenligne smeltehastigheten ved et smeltescenario i ESCIMOmodellen. Ulike strategier for snølastreduksjonen ble undersøkt. Mengde energi som kreves, temperaturbegrensning og en snølastbuffer ble testet i 39 år med modellerte værdata på seks steder med ulike klimaforhold. Et simuleringsprogram for varmeoverføring gjennom bygningskomponenter, WUFI, ble brukt for å undersøke energieffektiviteten til et solcellepanel.