Fotowoltaika zintegrowana z budynkiem Autor: mgr inż. arch. Agnieszka Karaś - doktorantka na Wydziale Architektury Politechniki Warszawskiej ("Czysta Energia" - nr 4/2014)

Systemy fotowoltaiczne występują w dwóch postaciach: BIPV (ang. Building Integrated Photovoltaics) zintegrowane z budynkiem i BAPV (ang. Building Attached Photovoltaics) dodane do powierzchni budynku za pomocą osobnego systemu montażowego. Systemy BAPV stosowane są głównie na dachach, rzadziej na elewacjach, i nie mają dodatkowej funkcji oprócz produkcji energii elektrycznej1. Zintegrowana fotowoltaika (BIPV) przetwarza bezpośrednią lub rozproszoną energię słoneczną na prąd elektryczny i jednocześnie zastępuje tradycyjne zewnętrzne materiały budowlane oraz elementy architektoniczne. BIVP to integralne elementy konstrukcyjne budynku. Można je stosować jako przeszklenia, fasady, świetliki, balustrady, zadaszenia, a także jako zewnętrzne warstwy pokryć dachowych. Panele zintegrowane z budynkiem spełniają też inne funkcje, m.in. chronią przed oddziaływaniami atmosferycznymi, zacieniają i chłodzą pomieszczenia (żaluzje, zadaszenia, nadwieszenia zacieniające), stanowią izolację cieplną i akustyczną oraz podnoszą walory architektoniczne budynku poprzez jednorodne pokrycie powierzchni.

Stan obecny i prognozy rozwoju BIPV Ogromny potencjał energetyczny, jaki tkwi w systemach fotowoltaicznych, powoduje ich dynamiczny rozwój na całym świecie. Największymi producentami ogniw fotowoltaicznych są Chiny, Niemcy, Japonia i USA. Do wzrostu zainteresowań inwestorów i architektów panelami fotowoltaicznymi przyczynia się również poprawa estetyki oferowanych produktów. Aktualnie dostępne są atrakcyjne wizualnie panele laminowane, bezramowe, dzięki którym fasada i dach zyskują jednolity wygląd, a budynek staje się bardziej estetyczny (fot. 1). Dostępne na rynku PV są również elastyczne pokrycia dachowe (fot. 2), a także panele z ogniwami o zróżnicowanych kształtach i kolorystyce. Fotografia 1 przedstawia przykład zastosowania bezramowych paneli fotowoltaicznych zintegrowanych z elewacją. Fotografia 2 prezentuje ogniwa fotowoltaiczne stanowiące integralną część pokrycia dachowego z blachy cynkowej.

Zintegrowana z budynkiem fotowoltaika BIPV, mimo że pojawiła się na rynku pod koniec ubiegłego wieku, nie jest jeszcze powszechnie stosowana i wciąż znajduje się w początkowej fazie rozwoju. Stanowi ok. 1% rynku fotowoltaicznego2. Utrudnieniami są m.in. wysoka cena i brak standaryzacji wielkości modułów. Projekt nowego budynku z systemami BIPV obejmuje zarówno dostosowanie obiektu do systemu montażowego oraz wybranych modułów paneli, jak i analizę wieloaspektową danej lokalizacji. Jej celem jest uzyskanie jak najlepszych wyników pod kątem pozyskiwanej energii słonecznej i osiągnięcie maksymalnych korzyści ekonomicznych. Moduły przeznaczone dla systemów zintegrowanych z budynkiem muszą być trwałe, gdyż kosztowna i utrudniona byłaby ich wymiana, np. w fasadzie elewacji.

Fot. 1. Projekt willi dla klienta indywidualnego (5x Archwum P. Kuczia)

Fot. 2. Budynek zabytkowych koszarów przekształcony na obiekty uniwersyteckie, Osnabrück, Niemcy 2003

Szansę na dalszy rozwój BIPV stanowią technologie cienkowarstwowe CdTe, CIGS, oparte na amorficznym krzemie. Według prof. Doroty Chwieduk: Udział technologii cienkowarstwowych w ostatnim okresie szczególnie wzrasta zarówno ze względu na niski koszt ich produkcji, jak i braki na rynku krzemu polikrystalicznego3. Technologie cienkowarstwowe stanowią obecnie tylko niewielki ułamek na rynku paneli fotowoltaicznych, ale tkwi w nich wielki potencjał.

Proces projektowania Dla architektów systemy zintegrowane z budynkiem to szansa na estetyczne architektoniczne rozwiązania w strukturze budynku i możliwość wykorzystania nowych technologii. W fazie projektowania niezbędna jest współpraca ze specjalistami z dziedziny fotowoltaiki, aby uniknąć niskiej efektywności działania instalacji bądź wysokich kosztów eksploatacyjnych. Głównym zadaniem jest ustawienie paneli w kierunku światła słonecznego. Ważny aspekt to obliczenie kątów zacienienia fasad budynku. Kąt nachylenia paneli określa ich produktywność – najwyższa jest wtedy, gdy są one ustawione w zakresie od południowego-wschodu do południowego-zachodu pod kątem od 35 do 45 stopni. Należy też zbalansować zacienienie przez półprzezroczyste systemy z zapewnieniem maksymalnego nasłonecznienia pomieszczeń. Projektanci w projektach wykorzystujących systemy BIPV muszą uwzględnić:        

konieczność projektowania pod raster osi, a więc od samego początku należy znać stosowany wyrób, konieczność przewidzenia odpowiednio eksponowanych powierzchni, zapewnienie dostępu światła słonecznego do budynku (analiza położenia geograficznego, orientacja budynku względem stron świata), sprawy ewentualnego zacieniania systemu poprzez inne budynki, a także poprzez drzewa, rozwiązanie problemów otworów okiennych, których wymiary należy dopasować do wymiarów paneli fotowoltaicznych, zapewnienie możliwości czyszczenia powierzchni i ich odśnieżania, zagwarantowanie możliwości naprawy bądź wymiany uszkodzonych paneli, zapewnienie miejsca do usytuowania niezbędnych urządzeń technicznych na dachu. Projektant wybiera zarówno rodzaj ogniw fotowoltaicznych, jak i ich kształt, wydajność elektryczną, przezroczystość oraz kolor.

Rys. 1. Możliwe usytuowanie systemów PV na budynkach (rys. autor)

Panele fotowoltaiczne stosowane zamiast szyb w oknach mają strukturę warstwową: pierwsza warstwa – antyrefleksyjna, druga – szkło, trzecia – ogniwo fotowoltaiczne. Istnieją też dwustronne baterie słoneczne (ang. double bifacial solar panels), które absorbują promienie przednią i tylną stroną. Jako przykład można wymienić balustrady lub inne elementy montowane prostopadle do powierzchni.

Uwarunkowania ekonomiczne Dzięki dynamicznemu rozwojowi produkcji systemów fotowoltaicznych w ciągu ostatnich 20 lat ich cena spadła aż o 60%3. Przy rozwiązaniu zintegrowanym niższe są koszty fasad, szklenia i zadaszeń. Używając paneli fotowoltaicznych jako zewnętrznej przegrody budowlanej, możemy odjąć od kosztów inwestycji cenę materiału elewacyjnego, często bardzo drogiego, np. w przypadku fasad biurowców. Według prof. Grażyny Jastrzębskiej: Koszt modułu fasadowego z ogniwami PV jest porównywalny z kosztem fasady konwencjonalnej. Zwrot kosztów następuje po 10 latach, a następnie – zysk 7% w skali każdego roku4.W przypadku zastosowania dachówki z panelem PV zamiast zwykłej redukujemy koszty inwestycji o wydatki związane z instalacją systemu montażowego pod tradycyjne panele PV. Zwroty z inwestycji zapewniają także zyski z uzyskanej czystej i odnawialnej energii.

Przykłady Na fotografiach 3 i 4 zaprezentowano przykłady zastosowania BIPV w budynkach. Fotografia 3 przedstawia integrację ogniw fotowoltaicznych z elementami przeciwsłonecznymi, a 4 ukazuje zespolenie paneli PV z fasadą budynku.

Analiza przypadku Analizie poddano dom plusenergetyczny „Mądrian” (arch. Piotr Kuczia, fot. 5). Jest to budynek modelowy, przeznaczony do powielania, posiada wstępny certyfikat Polskiego

Instytutu Pasywnego i Energii Odnawialnej. Projekt otrzymał wyróżnienie honorowe i nagrodę sponsora w konkursie Wydawnictwa Murator „Energooszczędny dom dostępny” w 2013 r.

Fot. 3. Budynek 3E dla Wydziału IŚ Politechniki Wrocławskiej, 2012, projekt: arch. Piotr Kuczia

Fot. 4. Hala fabryczna w Bielefeldzie, Niemcy, 2012

Fot. 5. Dom „Mądrian”

Budynek zaprojektowano w standardzie NF15. Zapotrzebowanie roczne na energię użytkową do ogrzewania i wentylacji nie przekracza 15 kWh/m2. Tradycyjny kształt domu zredukowano do prostej bryły nakrytej dwuspadowym dachem. Budynek pozbawiony jest okapów i widocznych rynien oraz rur spustowych. Od strony południowej fasada i dach w całości pokryte są bezramowymi, cienkowarstwowymi modułami fotowoltaicznymi. Panele fotowoltaiczne umieszczone na ścianie mają powierzchnię 32,4 m2, a na dachu 75,24 m2 . Łącznie jest ich 96 sztuk na powierzchni 101 m2. Obliczeniowa moc nominalna systemu wynosi 11 kWp. Z prowadzonych podczas prac projektowych symulacji energetycznych wynika, że dom będzie wytwarzał więcej energii niż potrzebuje do eksploatacji. Obliczenia podają, że rocznie budynek pozyska ok. 8900 kWh energii elektrycznej. Zapotrzebowanie na energię użytkową wyniesie ok. 4600 kWh/rok, a na potrzeby gospodarstwa ok. 3400 kWh/rok. Ogniwa fotowoltaiczne będą więc wytwarzać nadwyżkę energii na poziomie ok. 900 kWh/rok. Do podgrzewania wody użytkowej zdecydowano się użyć pomp ciepła zamiast kolektorów, z uwagi na wyposażenie domu w dużą ilość paneli z ogniwami fotowoltaicznymi. Zapewniają one nadwyżki darmowej energii elektrycznej. Przy założeniu, że energia elektryczna z paneli fotowoltaicznych może być sprzedawana latem i dzięki temu pokrywa się koszty jej zakupu zimą, za działanie pompy nie trzeba będzie płacić. Dom „Mądrian” został wyposażony w powietrzną pompę ciepła współpracującą z instalacją wentylacyjną. Pompa odbiera ciepło z powietrza wywiewanego z pomieszczeń. W okresie zimowym jego temperatura jest dużo wyższa niż temperatura na zewnątrz budynku. Dzięki temu pompa osiąga wysoki współczynnik COP = 3,68 – przy założeniu, że podgrzewa wodę o temperaturze od 15°C do 45°C, a powietrze, z którego odbiera ciepło, ma nie mniej niż 20°C5. W wyniku przeprowadzonych analiz ekonomicznych projektant ustalił, że inwestycja polegająca na budowie instalacji fotowoltaicznej w analizowanym modelowym budynku może zwrócić się w ciągu dziesięciu lub kilkunastu lat, w zależności od wysokości cen energii elektrycznej6.

Konkluzja Zastosowanie zintegrowanego systemu BIPV na powierzchni dachów i fasad budynków może przynosić korzyści energetyczne i ekonomiczne, a dodatkowo zwiększa estetykę obiektu. Pomimo że w ostatnim czasie powstało wiele interesujących projektów, to potencjał, jaki posiadają ogniwa BIPV zintegrowane z budynkiem, nie został jeszcze wykorzystany. Profesor Ewa Klugmann-Radziemska z Politechniki Gdańskiej, pisząc o systemach BIPV, stwierdza: Rozwiązanie to uważa się obecnie za przyszłość fotowoltaiki, szczególnie w granicach administracyjnych wielkich miast, gdzie nie ma wolnej przestrzeni na instalacje innego typu, może to być jedyna możliwość wykorzystania energii odnawialnej7. Kraje wysokorozwinięte mają swoje programy wsparcia rozwoju systemów fotowoltaicznych. Zachętą dla inwestorów są m.in. ulgi podatkowe, preferencyjne kredyty bez odsetek z możliwością umorzenia ostatniej raty czy też możliwość sprzedaży nadwyżek prądu z zagwarantowaną przez okres 20 lat wysoką ceną, co stosowano w Niemczech. U naszego zachodniego sąsiada duży sukcesem okazał się uruchomiony w 1999 r. program 100 000 słonecznych dachów. Jeszcze większym powodzeniem cieszy się wspomniana dotacja na okres 20 lat, choć warto dodać, że równolegle nastąpił wzrost cen prądu. Doktor Roman Pieprzyk zauważa, że w ciągu dwóch lat (między pierwszą połową 2011 r. a pierwszą połową 2013 r.) ceny prądu dla gospodarstw domowych w Unii Europejskiej wzrosły średnio o 11,7%, a w Polsce o 0,7%. Z danych Eurostatu wynika, że rachunki Europejczyków za energię nadal będą rosnąć8. Spadek cen ogniw fotowoltaicznych i oszczędności, które uzyskiwane są poprzez zastąpienie systemami BIPV materiałów przegród zewnętrznych zwiastują zwiększenie skali zastosowania fotowoltaiki zintegrowanej z budownictwem.

Źródła 1. Sinapis K., van den Donker M.: BIPV REPORT 2013, State of the art in Building Integrated Photovoltaics. www.seac.cc/fileadmin/seac/user/doc/SEAC_BIPV_Report_2013.pdf. Dostęp 30.03.2014. 2. Pietruszko S.: Fotowoltaika zintegrowana z budownictwem (BIPV). Materiał z konferencji: VI Forum Operatorów Systemów i Odbiorców Energii i Paliw „Bezpieczeństwo energetyczne a nowe kierunki wytwarzania i wykorzystania energii w Warszawie”. Warszawa 2009. 3. Chwieduk D.: Energetyka słoneczna budynku. Wydawnictwo Arkady. Warszawa 2011.

4. Jastrzębska G.: Ogniwa słoneczne. Budowa, technologia i zastosowanie. Wydawnictwo Komunikacji i Łączności. Warszawa 2013. 5. Okołowska A., Laskowski P., Podwysocka Z.: Dom produkujący energię. Pasywny dom zerooenergetyczny czy plusenergetyczny? http://m.muratordom.pl/ekomurator/energooszczedny-dom-dostepny/dom-produkujacy-energie-pasywny-domzerooenergetyczny-czy-plusenergetyczny,535_11038.html. Dostęp 29.03.2014. 6. Kuczia P.: Fotowoltaiczne systemy zintegrowane z budynkiem. „Materiały Budowlane” 1/2014. 7. Klugmann-Radziemska E.: Instalacje PV zintegrowane z budynkiem. „Magazyn Fotowoltaika” 3/2011. 8. Pieprzyk R.: Uregulowania prawne w Unii Europejskiej dla budynków o niemal zerowym zużyciu energii. Materiały z konferencji: V Forum budownictwa energooszczędnego i pasywnego. Budma. Poznań 2014.