II_2.10 Optymalne kształtowanie obudowy budynku, celem montażu instalacji helioaktywnych - zebranie wyników badań dla warunków klimatycznych

Polski

Wydajność aktywnych systemów konwersji energii słonecznej zależna jest od kąta pochylenia i kąta azymutalnego pod którym zamontowany jest system. Integrowanie technologii konwersji energii sło-necznej z budynkiem wpływa zatem na jego formę. Jest ona uzależniona od zapewnienia instalacji pracy pod „optymalnym kątem”.

Odpowiedź na pytanie czym jest „optymalny kąt” montażu instalacji solarnej jest złożona. Zależy on w głównej mierze od szerokości geograficznej na której usytuowany jest budynek. Wraz z tym okre-ślona jest ekliptyka słońca tj. trajektoria po której pozornie porusza się słońce obserwowane z Ziemi.

Ruch Ziemi wokół Słońca wiąże się także ze zmiennością dziennych i rocznych optymalnych warunków nasłonecznienia. Lokalizacja geograficzna wpływa także na proporcje światła bezpośredniego i odbitego co także ma wpływ na sposób montażu i wydajność instalacji solarnych. „Optymalny kąt” zależy także od wybranej technologii konwersji światła słonecznego a także pór roku / dnia w których instalacja ma być wykorzystywana najintensywniej. Określenie wszystkich opisanych powyżej zmiennych tak by wy-korzystanie energii słonecznej było maksymalne jest zatem złożone i wymaga szeregu kompromisów.

Autor opisał wcześniej w dysertacji, szereg antycznych i nowożytnych sposobów kształtowania „miast solarnych” Były to jednak opracowania wykorzystujące jedynie pasywne metody pozyskiwania energii słonecznej. Dopiero w XX w. nauczyliśmy się aktywnie przetwarzać promieniowanie słoneczne na ener-gię elektryczną i cieplną. Badaniem czynników takich jak optymalne kąty montażu instalacji czy optymal-na forma budynku w celu konwersji energii słonecznej zajmowało się wielu badaczy. Jednym z pierw-szych, który w latach 30-tych XX zajmował się tematyką kształtowania obudowy budynku w stosunku do oddziaływania promieniowania słonecznego był H.N. Wright. Badał on warunki nasłoneczniania bu-dynków w Nowym Jorku uwzględniając lokalne warunki klimatyczne. Wright uznał, że powinny one być zwrócone w kierunku południowym i południowo - zachodnim w zakresie kątów azymutalnych od 0° do +45°. Od tej strony powinny znajdować się pomieszczenia mieszkalne posiadające duże powierzchnie okien. Pomieszczenia mieszkalne i otwory okienne powinny być zaś ograniczane w zakresie kątów azy-mutalnych od +90° do +135°. Badania kolejnych naukowców uwzględniające także inne niż Nowy Jork lokalizacje wskazywały, iż główne fasady budynków powinny być skierowane w kierunku południowym

37. Analiza przeprowadzona na podstawie publikacji:

· Dorota Chwieduk, 2006, Modelowanie i analiza pozy-skiwania oraz konwersji ter-micznej energii

· Photovoltaic Geographical Information System - War-szawska, Instytut Techniki Cieplnej

II

z ewentualnym 30° odchyleniem w kierunku wschodnim bądź zachodnim. Victor Olgyay³⁸ jeden z czo-łowych badaczy czynników klimatycznych wpływających na zabudowę, wskazywał na ścisłą zależność warunków nasłonecznienia od lokalizacji geograficznej, ale także specyfiki klimatu i uformowania terenu.

Podkreślał wpływ nie tylko orientacji ale także powierzchni poszczególnych ścian budynku na możliwość pozyskiwania energii. Zalecał wydłużanie ściany południowej wzdłuż osi wschód - zachód. Podobne wnioski opublikowano w 1967 w poradniku ASHRAE³⁹ (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers). Potwierdzają one efektywność wydłużania elewacji wzdłuż osi wschód - zachód. Uznano kwadratowy plan budynku zorientowany wzdłuż kierunków kardynalnych, za najmniej korzystny z pt. widzenia pozyskiwania energii słonecznej.

Wiele opracowań podejmuje także tematykę optymalnego kąta montażu instalacji solarnych. Najnowsze szeroko zakrojone badania w tym zakresie przeprowadzono na zlecenie Komisji Europejskiej w jednej z podlegających jej agend - Joint Research Centre⁴⁰, Institute for Energy and Transport⁴¹. Wyniki badań udostępniono na stronie internetowej tego instytutu badawczego⁴². Interaktywny interfejs pozwala na analizę nasłonecznienia dla precyzyjnie wybranej lokalizacji w obrębie krajów UE. Analiza obejmuje sze-reg czynników, umożliwia dobranie optymalnego kąta pochylenia instalacji aktywnej oraz optymalny kąt azymutalny. Określa straty wynikające z odbicia od powierzchni kolektorów promieniowania słoneczne-go czy jesłoneczne-go niskiesłoneczne-go natężenia. Umożliwia określenie:

- średniej dziennej produkcji energii elektrycznej dla zadanego systemu pozyskiwania energii - średniej miesięcznej produkcji energii elektrycznej

- średniej dziennej sumy globalnego napromieniowania padającego na powierzchnię modułów - średniej łącznej sumy napromieniowania padającego na powierzchnię modułów

Wszystkie te dane podawane są dla kolejnych miesięcy roku, oraz zsumowane dla całego roku kalendarzo-wego. Interaktywny interfejs strony umożliwia także zmianę wielu czynników opisanej powyżej analizy. Jest to narzędzie bardzo rozbudowane i niezwykle pomocne przy analizie i projektowaniu instalacji solarnych.

Dodatkowo strona udostępnia szereg map i danych:

- mapa potencjału pozyskiwania energii słonecznej w krajach europejskich

- mapa optymalnych kątów instalacji solarnych pozwalających na maksymalizację wydajności instalacji - wartość produkcji energii elektrycznej dla systemów zainstalowanych pod kątem optymalnym w

po-równaniu do wyników instalacji z jednoosiowym systemem śledzenia ścieżki słońca

- porównanie wartości globalnego napromieniowania dla obszarów zurbanizowanych w poszczegól-nych krajach UE

Opisane powyżej dane są efektem badań zespołu pod kierunkiem Marcela Suri opublikowane min. w ar-tykule „Potential of solar electricity generation in the European Union member states and candidate countries”.

Badania opracowano używając danych o promieniowaniu słonecznym i klimacie zintegrowanych z inter-aktywną internetową aplikacją - Photovoltaic Geographical Information System (PVGIS)⁴³. Baza danych o rozdzielczości 1 km x 1 km zawiera miesięczne i roczne średnie z okresu 1981 - 1990 o wartości glo-balnej iluminacji światła słonecznego, współczynniku promieniowania bezpośredniego do rozproszone-go oraz indeksie czystości nieba opisującym zachmurzenie nieba. Dane porozproszone-godowe pochodzą z 566 na-ziemnych stacji meteorologicznych.

Baza danych posłużyła do analizy potencjału produkcji energii słoneczniej poprzez ogniwa fotowol-taiczne w poszczególnych krajach i regionach Unii Europejskiej. Badania miały na celu opracowanie danych pozwalających na rzetelną dyskusję o produkcji energii ze źródeł odnawialnych. Umożliwiają porównanie potencjału i prowadzenie racjonalnych strategii rozwoju fotowoltaiki na obszarze UE.

38. Victor Olgyay 1910 - 1970 Architekt ipionier architektury bioklimatycznej. Do roku 1970 był profesorem wSzkole Ar-chitektury i Urbanistyki Uni-wersytetu. To jeden z czoło-wych badaczy dotyczących relacji między formą architek-toniczną ajej zapotrzebowa-niem energetycznym. Autor wielu książek, wktórych pod-kreśla znaczenie bio architek-tury iklimatu. [Wikipedia]

39. ASHRAE - American So-ciety of Heating and Air-Con-ditioning Engineers - Ame-rykańskie Stowarzyszenie Inżynierów Ogrzewania i Kli-matyzacji powstało w 1959.

To międzynarodowe stowa-rzyszenie zajmujące się za-awansowanymi technologiami klimatyzacyjnymi zapewnia-jącymi komfort użytkowników przy jednoczesnej dbałości ośrodowisko. Poprzez bada-nia, opracowywanie standar-dów, liczne publikacje stara się edukować, wyznaczać kierunki rozwoju wtej dziedzinie. [AS-HARE] https://www.ashrae.org

40. The Joint Research Centre (JRC) - Wspólnotowe Centrum Badawcze - jest Dyrekcją Ge-neralną Komisji Europejskiej, wskład którego wchodzi sie-dem instytutów naukowych zlokalizowanych wpięciu pań-stwach członkowskich Unii Eu-ropejskiej (Belgii, Niemczech, Włoszech, Holandii iHiszpanii) gdzie zatrudnionych jest 2,7 tys. pracowników. Misją cen-trum jest zapewnienie, zgod-nie z potrzebami klientów, wsparcia naukowego i tech-nicznego dla koncepcji, rozwo-ju, wdrażania imonitorowania polityki Unii Europejskiej. W ra-mach prowadzonych usług dla Komisji Europejskiej, działa jako centrum informacji w za-kresie nauki itechniki dla Unii.

[Wikipedia], https://ec.europa.

eu/jrc/

41. Institute for Energy and Transport (JRC-IET) - Jest jednym z siedmiu insty-tutów Wspólnego Cen-trum Badawczego (JRC), Wswych siedzibach w Holan-dii i Włoszech posiada mul-tidyscyplinarny zespół około 300 akademików i persone-lu pomocniczego. Misją IET jest zapewnienie wsparcia dla polityki Unii Europejskiej oraz innowacji technologicz-nych w celu zapewnienia trwałej, bezpiecznej, stabilnej iwydajnej produkcji energii jej

II

dystrybucji oraz wspierania zrównoważonego i efektyw-nego transportu wEuropie. IET realizuje założenia poprzez pro-wadzenie badań zpartnerami z państw członkowskich oraz poza nimi. IET prowadzi główne działania naukowe w następu-jących dziedzinach: odnawialne źródła energii, fotowoltaika, biomasa; zrównoważona i bez-pieczna energia jądrowa dla obecnych iprzyszłych reakto-rów; infrastruktura energetycz-na i bezpieczeństwo dostaw;

zrównoważony transport, przemyśle, transporcie. [JRC - IET]

u góry strony:

Ilustracja II_19a

Różnica wwydajności między systemami fotowoltaicznymi zamontowanymi pod kątem optymalnym asystemami śle-dzącymi pozorny ruch słońca poruszającymi się w jednej osi. [Marcel Šúri, Thomas A.

Huld, Ewan D. Dunlop, Heinz A.

Ossenbrink , 2007, Potential of solar electricity generation in the European Union member states and candidate countries]

na dole strony:

Ilustracja II_19b

Optymalne pochylenie modu-łów fotowoltaicznych, wcelu maksymalizacji rocznej wydaj-ności energetycznej. [Marcel Šúri, Thomas A. Huld, Ewan D.

Dunlop, Heinz A. Ossenbrink , 2007, Potential of solar electri-city generation in the European Union member states and candi-date countries]

42. http://re.jrc.ec.europa.eu/

pvgis/

43. Photovoltaic Geographical Information System (PVGIS) - To narzędzie umożliwia in-wentaryzację geograficzną zasobów energii słonecznej i ocenę wytwarzania energii elektrycznej zsystemów społeczno-gospodar-czych związanych z wytwa-rzaniem energii słonecznej.

Użytkownicy mogą uzyskać dostęp do map wygenerowa-nych za pomocą narzędzia, atakże publikacji technicznych idokumentów [PVGIS]

II

Przeanalizowano w nich trzy zakresy danych:

- spodziewaną średnią wartość produkcji energii elektrycznej - teoretyczny potencjał instalacji PV

- ocenę zdolności produkowania 1% energii elektrycznej zużywanej w danym kraju z systemów foto-woltaicznych

Efektywność ekonomiczna produkcji energii elektrycznej dzięki panelom PV zależna jest od wydajności zamontowanej instalacji, kosztów zakupu i utrzymania, trwałości. Ważnym czynnikiem jest także lokal-ne prawodawstwo i związalokal-ne z nim dopłaty, preferencje dla ich użytkowników. W największym jednak stopniu, co oczywiste, wartość energii słonecznej docierającej do ich powierzchni. Na obszarze UE ist-nieje duża rozpiętość warunków rozwijania fotowloltaiki z uwagi na szeroką rozpiętość położenia geo-graficznego, lokalnego klimatu, ukształtowania terenu. Biorąc pod uwagę jedynie tereny zurbanizowane potencjał pozyskiwania energii wynosi od 630 kWh/kWp w północnej Finlandii do 1330 kWh/kWp na Malcie. Innym słowy pozioma instalacja fotowoltaiczna na Malcie wyprodukuje dwukrotnie więcej energii co ta sama instalacja w Finlandii.

Podstawowymi czynnikami determinującymi kąt montażu systemów fotowoltaicznych są szerokość geograficzna, proporcje nasłonecznienia bezpośredniego i pośredniego oraz w przypadku terenów górzystych zacienianie wynikające z ukształtowania terenu. Biorąc pod uwagę tereny zurbanizowa-ne optymalny kąt montażu instalacji wynosi od 28° na półwyspie Pelopozurbanizowa-neskim do 47° w północzurbanizowa-nej Skandynawii. W przeważającej części Europy pomiędzy szerokościami 45-55° dużą część światła sta-nowi promieniowanie rozproszone. Dla krajów tych optymalny kąt instalacji wynosi 33-36°.

Dla Polski w świetle powyższych badań optymalny kąt montażu instalacji fotowoltaicznej wynosi 36°.

Wszystkie badania odnoszą się do instalacji zorientowanych prostopadle do kierunku południowego.

Odchylenie paneli fotowoltaicznych od poziomu do kąta uznawanego w danym regionie za optymal-ny zwiększa wydajność instalacji o 9 do 26%. Roczna produkcja energii wynosi w takim przypadku od 760 kWh/kWp w Szkocji i Północnej Skandynawii do 1510 kWh/kWp na Malcie i w Portugali.

Montaż instalacji fotowoltaicznej pod kątem optymalnym największe 16% zyski energetyczne daje w krajach Bałtyckich w tym w Polsce.

Najwięcej energii elektrycznej - powyżej 1200 kWh/kWp może być produkowane w krajach śródziemno-morskich - Portugalii, Hiszpanii, Południowej Francji, południowych częściach Włoch, Grecji.

W krajach Śródziemnomorskich instalacje zamontowane w pionie mają o 33-42% gorszą wydajność od PV zamontowanych pod kątem optymalnym. Panele PV zamontowane w pionie pozwalają produkować w regionach takich jak Malta , Sycylia, południowa Hiszpania i Portugalia 900 kWh/kWp.

W krajach bałtyckich wydajność pionowych systemów fotowoltaicznych zmniejsza się o 28% w sto-sunku do zamontowanych pod kątem optymalnym.

Pozwala to w Czechach, Polsce, Niemczech czy krajach Beneluksu osiągać wydajność na poziomie 650 kWh/kWp. Pomimo, że wydajność systemów zamontowanych w pionie jest mniejsza odznacza się większym sezonowym zrównoważeniem pozyskiwanej energii.

Współcześnie, szczególnie w gęsto zaludnionej Europie energia słoneczna pozyskiwana jest głownie

II

z dużej ilości małych zwykle przydomowych instalacji słonecznych. Biorąc to pod uwagę, opisywane badania starają się odpowiedzieć na pytanie jak duża powierzchnia kraju musiała by zostać pokry-ta panelami fotowolpokry-taicznymi by pozyskiwać z niej 100% zużywanej energii elektrycznej. Teoretyczna powierzchnia PV w każdym kraju zależna jest od dostępności promieniowania słonecznego oraz od po-ziomu zużycia energii elektrycznej i wynosi od 0,1% dla krajów bałtyckich do 3,6% dla krajów Beneluksu.

Pokrycie instalacją FV 0,6% powierzchni Unii Europejskiej zapewnić mogłoby całą niezbędną energię elektryczną. Wartość ta mogła by jeszcze zmaleć, przy wykorzystaniu najnowszych, najbardziej wydaj-nych technologii konwersji światła słonecznego. Dodatkowo, nie uwzględniono tu możliwości przesyła-nia produkowanej energii między krajami. Umożliwiłoby to przesyłanie nadwyżek produkcyjnych z krajów południa Europy do krajów północy. Oczywiście są to założenia czysto teoretyczne nie uwzględniające struktury przestrzennej zabudowy, czy zmiany powierzchni na skutek odchylania paneli do kąta opty-malnego. Nie biorą także pod uwagę kwestii zacieniania powierzchni paneli.

W przypadku Polski zgodnie z opisywanymi badaniami pokrycie zaledwie 0,43% kraju instalacją FV umożliwiłoby zaspokojenie całego zapotrzebowania na energię elektryczną. Wymagało by to pokrycie instalacją fotowoltaiczną 1 344 km². Łączna powierzchnia największych miast Polski - Warszawy, Łodzi, Wrocławia, Gdańska i Poznania wynosi 1 626 km² ⁴⁴. A zatem można założyć, że wykorzystanie dachów budynków na terenach najsilniej zurbanizowanych może już przy dzisiejszej technologii umożliwić uniezależnienie się od kopalin w odniesieniu do produkcji energii elektrycznej. Jest to nie-zwykle ważne stwierdzenie rzutujące na całą pracę dysertacyjną. Udowadnia bowiem słuszność po-szukiwań tkanki urbanistycznej, której forma umożliwi optymalne pozyskiwanie energii słonecznej.

Autorzy publikacji podają jeszcze jedno porównanie działające na wyobraźnię. By zapewnić pozyskiwanie 1% zużywanej obecnie energii elektrycznej należałoby zamontować średnio dla wszystkich krajów euro-pejskich ok. 1m² per capita. Dla Polski wskaźnik ten wynosi zaledwie 0,35 m². Opierając się na tym stwierdzeniu założyć można, że by produkować 10% energii elektrycznej przetwarzając energię słońca, każdy Polak musiałby mieć do własnej dyspozycji ok. 3,5 m² powierzchni ogniw fotowoltaicznych. By zapewnić 100% produkcji energii elektrycznej z fotowoltaiki na każdego Polaka przypadać powinno 35 m² powierzchni kolektorów⁴⁵.

Wnioski

- optymalne pochylenie instalacji fotowoltaicznej w Polsce 36°

- zalecany kąt azymutalny -1°

- globalne napromieniowanie słoneczne paneli fotovoltaicznych umieszczonych w tkance miejskiej pod optymalnymkątem 1200 - 1300 kWh/m²/rok

- różnica pomiędzy stałym optymalnym, kątem montażu PV a systemem ruchomym w jednej osi 25%

- globalne rzeczywiste napromieniowanie słoneczne paneli fotowoltaicznych umieszczonych w tkan-ce miejskiej pod kątem optymalnym - 900 kWh/kWp

- powierzchnia paneli PV niezbędna dla spełnienia 100% zapotrzebowania na energię elektryczną 35 m² per capita

- 1 344 km² powierzchnia instalacji fotowoltaicznej zapewniającej produkcję 100% energii elektrycznej zużywanej w Polsce

- teoretycznie 0,43% powierzchni Polski powinno być pokryte ogniwami fotowoltaicznymi by w 100%

zaspokoić zapotrzebowanie na energię elektryczną kraju.

44. 312 679 km² łączna

II

Niezwykle ciekawe i szerokie badania nad energetyką słoneczną budynków prowadzi w Polsce prof.

Dorota Chwieduk. Jednym z aspektów jej dociekań naukowych jest kwestia określenia optymalnych kątów obudowy budynku w celu konwersji energii słonecznej. Według badaczki forma architektoniczna i urbanistyczna ma olbrzymi wpływ na możliwość wykorzystania energii słonecznej. Usytuowanie, bryła, struktura, użyte materiały mogą w znaczącym stopniu pozwolić na zmniejszenie zapotrzebowania ener-getycznego. Często energia słoneczna nie jest brana pod uwagę w projektowaniu lub jej wpływ na bilans energetyczny jest marginalizowany. Tymczasem bez względu na to czy w sposób planowy czy nie, ener-gia słoneczna w znaczący sposób oddziałuje na budynki. Należy je projektować tak by w lecie nie ulegały przegrzaniu, oraz były chronione przed nadmiernym oświetleniem. W zimie zaś przeciwnie budynki powinny mieć możliwość pozyskiwania i kumulowania energii słonecznej. Jak twierdzi autorka budyn-ki powinny „otwierać się” na oddziaływanie słońca w ciągu dnia oraz „zamykać się” nocą by zachować skumulowane w ciągu dnia ciepło. Zaleca się by umożliwić „rewersję” jego właściwości. Zimą powinien działać jako otwarty kolektor, kumulujący ciepło i świtało, latem jego bryła powinna umożliwiać zamyka-nie tak by zamyka-nie przegrzać jego wnętrza. Dzięki odpowiedzamyka-niemu zastosowaniu rozwiązań urbanistycznych, architektonicznych, technologicznych i materiałowych, budynek powinien zapewniać możliwie stabilne warunki wewnętrzne na przestrzeni roku oraz w cyklu dziennym.

Prócz pasywnych zysków energetycznych umożliwiających ograniczenie zużycia energii na oświetlenie i ogrzanie budynku jego forma może zostać zintegrowana z systemami aktywnymi. W tym celu for-ma budynku powinna zostać do tego odpowiednio przygotowana. Zgodnie z przeprowadzonymi przez Chwieduk badaniami w okresie słabego - zimowego nasłonecznienia w warunkach polskich, najwięcej promieniowania otrzymują powierzchnie o dużym pochyleniu. Zaleca kąt większy o co najmniej 10° od lokalnej szerokości geograficznej. W celu pozyskiwania energii w tym okresie ściany główne zwrócone w kierunku południowym nie powinny być zacieniane. W celu intensyfikacji oświetlenia zaleca się sto-sowanie w okolicy budynku powierzchni odbijających światło np. stawu czy basenu. W lecie natomiast najlepiej oświetlone są powierzchnie o niewielkim kącie pochylenia i kierunku azymutalnym od 0 do 45°

a zatem w kierunku południowo - zachodnim. W lecie duży kąt pochylenia powoduje zmniejszenie do-stępności energii słonecznej. Mały kąt powierzchni dachu zaś powoduje silne skupianie energii na jego powierzchni i w związku z tym przegrzewanie. Południowe przeszklenia w lecie powinny mieć możli-wość ich zacieniania. Wiele uwagi prof. Chwieduk poświęca znalezieniu optymalnego ukształtowania bryły budynku tak dla pasywnych jak i aktywnych zysków energetycznych. Jak pisze Dorota Chwieduk:

„Zgodnie z otrzymanymi wynikami najlepsze warunki nasłonecznienia w ciągu roku ma powierzchnia pochylona pod kątem 40°, następnie 45° i 30°, w zakresie kątów azymutalnych od -15°do +45°. Zalecane zorientowa-nie powierzchni odpowiada kątowi + 15°.”

Wnioski

- optymalny kąt pochylenia instalacji pozyskującej energię słoneczną 40°

- zaleca się orientowanie głównych fasad budynku w kierunku południowym, optymalny kąt azy-mutalny dla pasywnego i aktywnego pozyskiwania energii słonecznej wynosi od -15° do + 45°

zalecany +15°

- kierowanie głównej fasady budynku w kierunku południowym

- zalecane łączenie metod pasywnego i aktywnego wykorzystania promieniowania słonecznego

II

Roczna suma globalnego na-promieniowania [kWh/m2]

Ilustracja II_2_20a

Glabalne napromieniowanie ipotencjał pozyskiwania ener-gii elektrycznej dla paneli foto-woltaicznych zamontowanych pod kątem optymalnym.

[M. Suri, T. Cebecauer, T. Huld, D. Dunlop, PVGIS Europen Communities 2001 - 2008,]

Roczna suma globalnego na-promieniowania [kWh/m2]

Ilustracja II_2_20b

Glabalne napromieniowanie ipotencjał pozyskiwania ener-gii elektrycznej dla paneli foto-woltaicznych zamontowanych horyzontalnie

[PVGIS Europena Communities 2001 - 2008M. Suri, T. Cebe-cauer, T. Huld, D. Dunlop]