INTEGRACJA PANELI SOLARNYCH

Jedną z najbardziej sensownych i ekonomicznych form zastosowania aktywnych rozwiązań solarnych, zwykle w postaci paneli ogniw fotowoltaicznych lub – rzadziej – kolektorów słonecznych, jest ich intergracja z przegrodami zewnętrznymi.

Panele solarne zintegrowane z przegrodami zewnętrznymi przejmują lub zastępują część funkcjonalnych, technicznych, czy też estetycznych zadań elementów lub warstw tych przegród. Stają się one immanentnym elementem elewacji lub dachu budynku [5].

1.1. KONTEKST HISTORYCZNY I PERSPEKTYWY

Próby integracji aktywnych rozwiązań solarnych z przegrodami zewnętrznymi bu-dynków podejmowano już od początków lat osiemdziesiątych XX wieku: na rynku pojawiły się wtedy tzw. dachówki energetyczne. Od zewnątrz nie różniły się one wi-zualnie od konwencjonalnych pokryć dachowych. Połączone ze sobą tworzyły zinte-growane systemy cieczowych kolektorów dachowych. Ich funkcja ukryta była za __________

* Dr inż. architekt Piotr Kuczia projektuje w agn Group w Niemczech i prowadzi własną działalność projektową w Polsce i Niemczech.

P. KUCZIA 156

konwencjonalną formą. Również współcześnie spotyka się kontynuację takiego estetycznego podejścia, polegającego na kamuflowaniu funkcji aktywnych rozwią-zań solarnych (np. Rheinzink QUICK-STEP). W przypadku większości obecnie stosowanych zintegrowanych paneli solarnych ich funkcja bywa zwykle świadomie eksponowana – jest ona od razu widoczna i rozpoznawalna. Instalacje ze zintegro-wanymi panelami solarnymi zaczęły nabierać znaczenia i pojawiać się częściej w ar-chitekturze w latach dziewięćdziesiątych ubiegłego stulecia. Mimo, że przepowiadano im wtedy szybki rozwój – do dziś nie stały się one rozwiązaniem powszechnym. Przyczyny ich niewielkiej popularności są wielorakie: oprócz wysokich kosztów lub konieczności uwzględniania zintegrowanych rozwiązań solarnych od samego po-czątku inwestycji, powodem jest także stosunkowo mało rozpropagowana wiedza na ten temat.

1.2. KLASYFIKACJA

Architektoniczna integracja aktywnych rozwiązań solarnych odbywać się może na trzech poziomach zaawansowania [2, 6], jako (rys. 1):

a) aplikacja (integracja wizualna) b) konstrukcyjna addycja

c) konstrukcyjna integracja.

Rys. 1. Poziomy integracji aktywnych paneli solarnych – schematyczne przekroje, oprac. własne

Aplikacja, czyli integracja wizualna, jest najniższym stopniem integracji aktywnych elementów solarnych. Są to rozwiązania, w których panele solarne pod względem wizual-nym stają się częścią przegrody zewnętrznej, lecz nie przejmują jej technicznych funkcji. Przykładem mogą być ogniwa dachowe „Domu równowagi energetycznej” w Amersfoort (Holandia), arch. Boom/van Straalen z 1998 roku (rys. 2a).

Konstrukcyjna addycja oznacza przejęcie przez panele solarne części funkcji przegrody zewnętrznej, np. ochrony przed warunkami atmosferycznymi. Panele stają się elementarną częścią przegrody. Przykładem konstrukcyjnej addycji jest fasada budynku magazynowego w Bielefeldzie (Niemcy), proj. agn z 2012 roku gdzie panele ogniw fotowoltaicznych przejmują funkcje zewnętrznej powłoki ele-wacji i są jednocześnie nośnikiem informacji promującym inwestora (rys. 2b).

XV. Panele solarne jako immanentne elementy przegród zewnętrznych 157

Rys. 2. Przykłady stopni integracji aktywnych paneli solarnych: a) aplikacja, b) addycja, c) integracja, fot. P. Kuczia

Konstrukcyjna integracja jest najwyższym stopniem integracji aktywnych rozwią-zań solarnych i oznacza ona przejęcie przez nie większości lub wszystkich funkcji przegrody zewnętrznej, a więc ochrony przed oddziaływaniami atmosferycznymi, ochrony cieplnej, akustycznej itd. Najczęściej spotykanym przykładem są panele fo-towoltaiczne zintegrowane z przeszkleniami. Takie rozwiązanie zrealizowano np. w 1999 r. w budynku Akademii Mont Cenis w Herne, gdzie w szyby przeszkleń ścian i dachu zintegrowane zostały ogniwa fotowoltaiczne, pełniące jednocześnie funkcję osłon przeciwsłonecznych (rys. 2c).

Zintegrowane panele solarne nadają się do stosowania także w przypadku renowa-cji budynków istniejących. Przykładem może być przebudowa historycznych kosza-rów w Osnabrück na budynki uniwersyteckie, arch. PBR w 2003 roku. Ogniwa foto-woltaiczne są tam integralną częścią pokrycia dachowego z blachy cynkowej, nadając dachowi budynku charakterystycznego wyglądu (rys. 3).

Rys. 3. Integracja ogniw fotowoltaicznych w przypadku renowacji, fot. P. Kuczia

E. Lee wyodrębnia trzy podstawowe obszary zastosowań zintegrowanych paneli solarnych: elewacje, dachy i osłony przeciwsłoneczne [3]. Przykładem integracji ogniw w elementach przeciwsłonecznych jest PlusEnergieHaus w Dortmundzie z roku 2009 zaprojektowany przez architektów HHS (rys. 4).

P. KUCZIA 158

Rys. 4. Ogniwa fotowoltaiczne zintegrowane z osłonami przeciwsłonecznymi, fot. P. Kuczia 1.3. PRZESŁANKI PROJEKTOWE

Właściwa architektoniczna integracja systemów solarnych wymaga uwzględnienia w projekcie zasadniczych typologicznych właściwości przegród zewnętrznych. W przypadku dachów sprawa jest stosunkowo prosta, gdyż rozpatrywane atrybuty sprowadzają się głównie do kształtu, nachylenia i rodzaju pokrycia. Elewacje charak-teryzują się koniecznością uwzględnienia szeregu dalszych aspektów, takich jak po-dział, struktura, proporcje itd., wymagających głębszej analizy w procesie projekto-wym. Udane pod względem architektonicznym rozwiązania solarne są zwykle wynikiem subtelnego wyważenia wielorakich czynników. Wiele zrealizowanych do-tychczas obiektów – mimo poprawnej pod względem technicznym i konstrukcyjnym integracji systemów solarnych – charakteryzuje się niewystarczającym stopniem inte-gracji pod względem estetycznym.

Istnieje potrzeba dalszego rozwoju w tej dziedzinie i jest to zadanie, którego roz-wiązanie wymaga interdyscyplinarnej współpracy między architektami i specjalistami innych dziedzin.

Stosowanie zintegrowanych paneli solarnych narzuca konieczność uwzględniania ich w koncepcji od najwcześniejszych faz projektowych. Tylko w ten sposób możliwe jest zapewnienie spójności z architekturą budynku i jednocześnie zapewnienie pożą-danej, jak najwyższej wydajności energetycznej.

Projektując rozwiązania ze zintegrowanymi panelami solarnymi, oprócz uwzględ-nienia czynników estetycznych należy zapewnić m.in.:

– ich optymalną orientację względem słońca (kierunki ekspozycji względem stron świata, kąty nachylenia połaci),

– unikanie ich zacienienia,

– zapobieganie osiadaniu śniegu wzgl. zapewnienie możliwości odśnieżania, – możliwość wymiany lub naprawy uszkodzonych paneli,

XV. Panele solarne jako immanentne elementy przegród zewnętrznych 159

– miejsca lokalizacji koniecznych dodatkowych urządzeń technicznych w wyma-ganych względami tehnicznymi odległościach (falowniki, zasobniki itd.). Oferowane na rynku panele solarne mają przeważnie charakter modularny i okre-ślone wymaganiami technologicznymi wymiary. Względy ekonomiczne zmuszają producentów do unifikacji wyrobów i wytwarzania dużych serii paneli solarnych o jednakowych parametrach technicznych. Wynikiem jest niska dywersyfikacja ryn-kowa dostępnych formatów i ich wielkości. Oznacza to często konieczność projekto-wania budynku (wymiary połaci przegród, rozmieszczenie okien itp.) w oparciu o siatkę wymiarów modułów. Jest to odczuwalnym ograniczeniem projektowym. Z drugiej strony, taka unifikacja prowadzi do uporządkowania struktury przegrody ze-wnętrznej, co zwykle pozytywnie odbija się na estetyce obiektu.

1.4. KONTEKST EKONOMICZNY

W ostatnich latach nastąpił gwałtowny spadek cen ogniw fotowoltaicznych. Przyczy-ną były liczne inwestycje w zakłady produkcyjne w Europie Zachodniej, będące odpo-wiedzią na hojne dotacje państwowe i związany z nimi wzrost popytu. Jednocześnie nastąpił szybki rozwój fabryk produkujących panele solarne w Chinach. Doprowadziło to do nadprodukcji, szybkiego spadku cen i wyparcia z rynku części producentów.

W związku ze spadkiem cen, w niektórych przypadkach zastosowanie zintergowa-niych paneli solarnych może okazać się obecnie inwestycją opłacalną, nawet bez dota-cji lub systemów cen gwarantowanych za oddawaną do sieci energię.

Kluczem do uzyskania takiej opłacalności jest zastąpienie panelami solarnymi konwencjonalnych materiałów wykończeniowych przegród zewnętrznych. W ten spo-sób – po odjęciu od ceny instalacji solarnej kosztów niezbędnych konwencjonalnych materiałów fasadowych lub dachowych, które jest ona w stanie zastąpić – możliwa jest amortyzacja pozostałych kosztów solarnej inwestycji przez oszczędności powo-dowane wykorzystaniem pozyskanej w obiekcie energii solarnej. Spodziewany dalszy spadek cen ogniw fotowoltaicznych i wzrost cen energii elektrycznej może pogłębić te tendencje.

1.5. OGRANICZENIA W INTEGRACJI PANELI SOLARNYCH

W stosunku do paneli solarnych instalowanych addytywnie – a więc większości spotykanych w praktyce rozwiązań, np. w postaci modułów solarnych umieszczanych na osobnych, dodanych konstrukcjach na dachach lub elewacjach – rozwiązania zinte-growane ograniczają swobodę w doborze optymalnego położenia względem słońca. Konieczność stosowania ich od samego początku eksploatacji obiektu pozbawia moż-liwości odkładania decyzji o ich rodzaju, ilości lub rozmieszczeniu dopiero na póź-niejsze fazy procesu inwestycyjnego. Jednocześnie bardzo wysokie są wymagania względem precyzji wykonania prac budowlanych.

P. KUCZIA 160

W przypadku paneli fotowoltaicznych, wraz ze wzrostem temperatury spada ich wydajność – integracja w przegrody zewnętrzne ogranicza możliwości ich chłodzenia przez naturalną wentylację.