Realizace FV systému na FSv – energetické a stavebně

Realizace FV systému na FSv – energetické a stavebně-fyzikální
souvislosti
Kamil Staněk, Jan Tywoniak
ČVUT v Praze, Fakulta stavební, Katedra konstrukcí pozemních staveb
Thákurova 7, 166 29 Praha 6, Česká republika
[email protected]; [email protected]
The demand for high-quality integration of PV systems into building envelopes brings a
number of structural, building-physical, technological and aesthetical problems that can affect
the most important target – independent production of electrical energy. A full-scale
experimental photovoltaic system at the Faculty of Civil Engineering, CTU in Prague consists
of two parts – facade and roof installation. The system is equipped with an extensive
measurement to study the electrical and thermal behavior of building integrated PV.
1. Experimentální FV systém na Fakultě stavební ČVUT v Praze
Od ledna 2006 je na Fakultě stavební ČVUT v Praze v provozu experimentální FV systém o
výkonu 40kWp. Menší část systému (176 FV panelů) je umístěna na JZ fasádě budovy
„B“ fakulty, větší část (210 FV panelů) na střeše. Celý systém je rozdělen do sedmi elektricky
samostatných FV sestav - 3 fasádní a 4 střešní. Každá sestava je vybavena vlastním
střídačem pro přeměnu stejnosměrného (DC) proudu produkovaného FV panely na střídavý
(AC) proud, který je v rozvaděči nafázován na elektrickou síť budovy. Pro celou instalaci jsou
jednotně použity monokrystalické FV panely o výkonu 106Wp.
Fasádní část systému je konstruována jako větraná FV fasáda rozdělená do dvou částí
podél středního proskleného traktu schodiště. Nosný systém je tvořen ocelohliníkovou
rámovou konstrukcí, která je kotvena do obvodové zdi budovy pomocí žárově zinkovaných
ocelových kotev. V rámci stavebních úprav byla obvodová stěna dodatečně zateplena a
celková tloušťka tepelné izolace je 160 mm. Šířka větrané dutiny je 100mm, místy
pochopitelně zúžená prvky nosné konstrukce. Celkově je fasádní systém připraven na
mechanické odvětrávání vzduchové dutiny, proto jsou dilatační spáry mezi panely utěsněny
silikonovým tmelem.
Obr. 1: Ocelová kotva v tepelné izolaci (vlevo), schéma fasádní instalace (uprostřed),
celkový pohled (vpravo).
Střešní část systému je tvořena FV sestavami různých sklonů a orientací – JZ 45°, JV 90° a
JV 45°C. Jednotlivé sestavy, včetně fasádních, (s výjimkou sedmé sestavy) jsou shodně
tvořeny 60 FV panely – je tedy možné přímé srovnání výstupního elektrického výkonu pro
jednotlivé sklony a orientace. Nosný systém střešních sestav je tvořen ocelohliníkovou
konstrukcí, která je kotvena ke stěnám střešních nástaveb technických místností. Na plochou
střechu objektu s obrácenou skladbou jsou konstrukce pouze uloženy přes gumové podložky.
Obr. 2: Nosná konstrukce šikmé střešní FV sestavy (vlevo), pohledy (uprostřed a vpravo).
2. Měření na systému
Experimentální FV instalace je vybavena rozsáhlým měřením klíčových elektrických i
neelektrických veličin. Pozornost je soustředěna zejména na fasádní část, která svou
povahou tvoří integrální součást obvodového pláště s úzkou vazbou na budovu.
U každé FV sestavy je na úrovni střídačů samostatně měřeno výstupní napětí i proud jak na
DC, tak na AC straně, a následně výstupní elektrický výkon. Pro celý systém je v rozvaděči
měřena elektrická energie dodaná do sítě objektu.
Na fasádní části je osazeno celkem 50 čidel teploty ve třech úrovních – na zadní straně FV
panelů, uprostřed větrané dutiny a na povrchu stěrkové omítky obvodové stěny. Ve dvou
bodech je měřena rychlost proudění vzduchu ve větrané dutině. Na spodním a horním okraji
fasádních sestav jsou umístěna čidla osvitu.
800
35
700
30
25
600
20
500
15
400
10
300
5
200
0
100
-5
0
-10
0
1
2
3
4
5
6
7
8
osvit JZ 45° [W/m2]
9
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
čas (hod)
teplota na zadní straně panelů [°C]
AC el. výkon [W/m2]
okolní teplota [°C]
teplota [°C]
osvit | výkon [W/m2]
Na každé střešní sestavě je měřena teplota na zadní straně FV panelů a umístěno čidlo
osvitu. Systém je doplněn měřením osvitu v horizontální rovině a čidlem teploty vnějšího
vzduchu.
Obr. 3: Měřená data
pro FV sestavu E4
(JZ, 45°) ze dne 14.
2. 2006. Rozdíl mezi
teplotou
vnějšího
vzduchu a teplotou
na zadní straně FV
panelů je až 26°C.
3. Význam odvětrávání FV systému
Výkon FV systému je do značné míry závislý na teplotě solárních článků, které tvoří jádro FV
panelů. U krystalických článků klesá účinnost přeměny slunečního záření na elektrickou
energii o 0,4% při nárůstu jejich provozní teploty o 1°C. Efektivní odvod nadbytečného tepla
vznikajícího při oslunění systému je nezbytný.
U otevřených střešních instalací je chlazení FV panelů v dostatečné míře zajištěno
působením větru, u fasádních instalací je nutné zvolit vhodnou geometrii větrané dutiny,
prvků nosné konstrukce a uspořádání vstupních a výstupních otvorů dutiny, což platí jak pro
přirozené, tak nucené odvětrávání. Přirozené odvětrávání je voleno v případě, že teplo
z odváděného vzduchu již není dále využito, v opačném případě je vhodnější instalovat
nucený odtah s možností řízení objemového průtoku větracího vzduchu.
Pro přirozené provětrávání vertikální vzduchové dutiny je její optimální tloušťka rovna 1/20
výšky FV fasády [1], dosažení takového rozměru je však u vysokých instalací problematické.
Pro mechanický odtah vzduchu je vhodná šířka větrané dutiny min. 100mm [2], přičemž
rychlost proudění je volena dle formy zamýšleného využití tepla z odváděného vzduchu.
Nicméně i systém s mechanickým větráním by měl mít možnost alternativního přirozeného
odvětrávání (automatické žaluziové klapky v horní části otevřené v době, kdy jsou ventilátory
vypnuté).
4. Větraná FV fasáda jako solární vzduchový kolektor
Pokud je plánováno využití ohřátého vzduchu odváděného z větrané dutiny, je možné
k celému fasádnímu FV systému přistupovat jako k solárnímu vzduchovému kolektoru, kde
FV panely tvoří absorbér. Hlavní důraz však musí být stále kladen na optimální chlazení FV
panelů a systém by měl být navržen jako otevřený (tedy ne uzavřený, cirkulační) [3].
Rychlosti proudění vzduchu ve větrané dutině by se měly pohybovat v rozmezí 0,3 až 1,2
m/s. Nižší rychlosti znamenají vyšší výstupní teplotu větracího vzduchu, ale menší ochlazení
FV panelů.
Přestup tepla FV panelů do větrané dutiny lze zvýšit vhodným geometrickým uspořádáním
prvků nosné konstrukce. Vodorovné profily přiléhající na zadní stranu FV panelů vyvolávají
v proudícím vzduchu turbulence a tím zvyšují konvektivní součinitel přestupu tepla. Větrací
vzduch je účinněji ohříván a méně tepla, které není možno využít, je odváděno do okolí.
Obdobně ochranný perforovaný plech osazený na vstupu do větrané dutiny může zvyšovat
turbulentní charakter proudění.
Teplo z větracího vzduchu lze využít známými způsoby – akumulace do hmotných
stavebních konstrukcí (ŽB dutinové stropy, štěrková lože) či materiálů s fázovou změnou,
předehřev větracího vzduchu, ohřev TUV, sorpční chlazení, sušení.
5. Konstrukční prvky větrané FV fasády
Nejčastěji jsou pro nosnou konstrukci FV fasád používány ocelové a hliníkové profily, u
menších instalací může být, při dodržení požadavků požární bezpečnosti, použito dřevěných
prvků. FV panely mohou být použity rámové i bezrámové (tzv. lamináty) osazené do klipů
nebo lišt. Mezi jednotlivými panely musí být provedeny dilatační mezery, resp. jinak
kompenzovány teplotní objemové změny konstrukce. Vstupní a výstupní otvor větrané dutiny
je třeba chránit perforovaným plechem a síťkou proti hmyzu. Pro ochranu kontaktního
zateplení obvodové stěny lze použít jednovrstvou stěrkovou omítku bez povrchové úpravy.
Typicky problematickým místem je oblast kotev nesoucích celou konstrukci FV systému –
použitím masivních ocelových prvků mohou vzniknout výrazné bodové tepelné mosty.
Vhodným řešením problému je vložení tuhých desek z EPDM pryže mezi ocelové kotvy a
zdivo. Pro vyhodnocení přínosu pryžových podložek byl vytvořen 3D model, který odpovídá
situaci na zateplené JZ stěně budovy „B“ pod FV fasádou (viz Obr. 1 vlevo). Součinitel
prostupu tepla stěny v typickém místě je 0,19 W/(m2K) a vnitřní povrchová teplota 19,0°C.
Obr. 4: Detailní model
teplotního pole (včetně
kotevních šroubů) v místě
osazení masivní ocelové
kotvy – bez přerušení
tepelného mostu (vlevo),
s přerušením
tepelného
mostu tuhou podložkou
z EPDM pryže tl. 15mm
(vpravo). Vnitřní výpočtová
teplota
20°C,
vnější
výpočtová teplota -15°C.
Zdivo 250mm, tepelná
izolace 160mm.
Tabulka 1: Srovnání dvou způsobů osazení ocelové kotvy – bez podložky a s podložkou
z EPDM pryže.
tepelně-technický ukazatel
veličina
bez podložky
podložka z EPDM pryže 15mm
vnitřní povrchová teplota
v místě osazení ocel. kotvy
θsi [°C]
16,9
17,5
bodový tepelný most
χj [W/K]
0,14
0,10
Výpočet ukazuje, že tepelná ztráta bodovým tepelným mostem je v obou případech malá
(díky velké tloušťce tepelné izolace obalující kotvu) a zařazení pryžové podložky se projevuje
příznivě. Toto řešení má však ještě jednu výhodu – pryžové podložky umožňují rektifikaci
jednotlivých kotev a pomáhají dodržet přísný požadavek na rovinnost FV fasády (FV panely
jsou vysoce reflexní a odrážejí okolní povrchy, odrazy nesmí být deformované).
6. Závěr
Fotovoltaické prvky integrované do obvodových plášťů pozemních staveb mohou kromě své
hlavní funkce – nezávislé produkce elektrické energie – plnit i řadu funkcí druhotných. Na
části stavby mohou sloužit jako esteticky hodnotný fasádní obklad a při správném návrhu
produkovat dále využitelnou tepelnou energii. Efektivní provoz FV systému závisí především
na účinném odvodu tepla z FV panelů, který je zajištěn provětrávanou dutinou. Při jejím
návrhu je nutné respektovat specifika větraných FV systémů, které se svým pojetím spíše
než tradičním větraným fasádám blíží solárním vzduchovým kolektorům.
Literatura
[1] BRINKWORTH, B. J.-SANDBERG, M.: Design Procedure for Cooling Ducts to Minimise
Efficiency Loss due to Temperature Rise in PV Arrays. Solar Energy 80 (2006) pp. 89103
[2] MEI, L.-INFIELD, D.-EICKER, U.-FUX, V.: Thermal Modelling of a Building with an
Integrated Ventilated PV Facade. Energy and Buildings 35 (2003) pp. 605-617
[3] HASTINGS, R. S.-MØRCK, O.: Solar Air Systems – A Design Handbook. Solar Heating
and Cooling Executive Committee of the International Energy Agency, London: James &
James, 2000. ISBN 1 873936 86 9