Épületszerkezetbe integrált napelemes megoldások

A nap mint energiaforrás ingyenes, belátható időn belül kifogyhatatlan. A napenergia-potenciál meghaladja minden más ismert energiaforrásét, így használata kikerülhetetlennek tűnik.

Bevezető

A napenergia hasznosítása az építészetben nem újkeletű. Az 1970-es években, az első olajválság jelenségeinek hatására fogalmazódtak és erősödtek meg azok a gondolatok, melyek alapvetően új szemléletmódot indítottak el az építészetben is. Az első és legfontosabb célkitűzés az energiatakarékosság volt, ami életre hívta az energiatudatos építészetet. A kezdeti cél, hogy az épület hővesztesége minél kevesebb legyen – ezáltal csökkenjen az energiafelhasználás – gyorsan kiegészült a nem fosszilis anyagú, alternatív energiák felhasználásának, illetve a minél nagyobb hőnyereség elérésének igényével. Ezek a gondolatok indították útjára a szolárépítészetet, mely kezdetben minél nagyobb benapozás biztosításával a természetes megvilágítás fontosságára és a passzív hőnyereségre helyezte a hangsúlyt. A technikai háttér fejlődésével az aktív napenergiát hasznosító rendszerek (napelemek, kollektorok) széles körű alkalmazása is teret nyert [5, 6].

Az épületek energiafelhasználásának vizsgálataival közel azonos időben jöttek létre olyan mozgalmak, áramlatok és kutatások, melyek hozzájárultak ahhoz, hogy a tervezés során maga az ember, illetve a természet egyes elemei kerüljenek ismét az előtérbe. Az 1990-es évekre fogalmazódott meg az olyan épület igénye, mely egyszerre felel meg a reálisan alacsony és állandó energetikai teljesítményigénynek, a megfelelő belső téri levegőminőség és a korlátozott környezeti terhelés követelményének az épület teljes élettartama alatt [3].

Ugyanezen időszakban figyeltek fel arra, hogy a megbízható mérések kezdete – vagyis az 1850-es évek – óta erősödik a globális átlaghőmérséklet emelkedésének üteme a Földön. A klímaváltozás folyamatára a nemzetközi kutatások különböző szcenáriókat dolgoztak ki. Kutatások alapján a településeken kialakuló hőszigetek a jelenleg zajló klímaváltozás negatív hatásait (hosszan tartó hőhullámok, szmog, hőségriadó szempontjából kritikus napi középhőmérséklet, stb.) tovább fokozhatják [4, 2]. Ezen káros tendenciák hatását csak tudatos, összehangolt cselekvésekkel lehet szinten tartani vagy csökkenteni [6, 8].

A klímaváltozás negatív hatásainak csökkentése, lassítása érdekében nemzetközi kutatások, szervezetek különböző klímapolitikai stratégiákat fogalmaztak meg, melyek nagy hangsúlyt fektetnek a megújuló energiákra. Ennek keretében született meg 2010-ben „Az épületek energiahatékonyságáról – Energy Performance of Buildings Directive (EPBD)" szóló 2010/31/EU számú irányelv, mellyel az Európai Parlament és Tanács az épületek energiafogyasztásának jelentős csökkentését írta elő. Az ez alapján elkészített hazai rendelet, a 2014 márciusában megjelent „Belügyminiszter 20/2014. (III. 7.) BM rendelete az épületek energetikai jellemzőinek meghatározásáról szóló 7/2006. (V. 24.) TNM rendelet módosításáról" szerint 2018-tól kizárólag közel nulla energiaigényű és CO₂-kibocsátású épületek hozhatók létre, mely elvet a jelentős felújítások esetén is be kell tartani. Közel nulla energiaigényű épületek önmagukban az energiaveszteség csökkentésével nem hozhatók létre, hanem alternatív, megújuló energia alkalmazása is szükséges. Alternatív energia nyerhető például biomasszából, geotermikus energiából, víz- és szélenergiából, valamint napenergiából. A nap mint energiaforrás ingyenes, és belátható időn belül kifogyhatatlan. A napenergia-potenciál meghaladja minden más ismert energiaforrásét, így használata kikerülhetetlennek tűnik.

A nap energiájának aktív hasznosítása kétféleképpen lehetséges:

• kollektorokkal, amelyekkel elsősorban meleg vizet lehet előállítani használati meleg vízhez, fűtéshez. Legújabb kutatások alapján már a nyári hűtéshez hidegvíz előállítása is lehetséges, ami nagyobb arányú elterjedést tehet lehetővé [14];
• napelemekkel, amelyekkel elektromos áram hozható létre.

Napelemek

A napelemek elméleti alapjait már az 1860-as években a véletlennek köszönhetően megismerték (Willoughby Smith), azonban a 20. század eleji kutatások után visszaesett az érdeklődés. A kutatások az 1950-es években kaptak új lendületet (Chapin, Fuller, Pearson, Bell). A napelem-használat lakó- és középületek esetén azonban a XX. század végén kezdett nagyobb arányban fejlődni, aminek a hatékonyság és a megtérülés volt elsősorban az oka.

Az utóbbi években a kutatásoknak és fejlesztéseknek köszönhetően jelentős csökkenés figyelhető meg a napelemek áránál, illetve a napelemekkel előállítható energia költségeivel kapcsolatban. Ez nagyobb arányú felhasználást jelenthet még azokban az országokban is, ahol a támogatás hiányzik vagy kisebb mértékű [9, 12].

A napelemek hatékonyságának legnagyobb kihasználásához a közép-európai régióban a 30-40°-os dőlésszög és déli tájolás a legideálisabb. Részben ez az oka, hogy a legtöbb napelemet hazánkban magastető felületen helyezik el, illetve alacsony hajlású vagy lapostetőn, az ideális dőlésszögben és a legkedvezőbb irány felé fordítva.

Ezeknek a megoldásoknak mára jól bevált építési-szerelési technológiája van. Mégis sokak számára formailag kissé nehézkesnek tűnhetnek, vizuálisan, esztétikailag többnyire kilógnak az építészeti harmóniából, idegen elemként hatnak a tetőkről meredező, energiatermelő elemeket tartó segédszerkezetek vagy az összetett tetőidomokon, külső szemlélő számára esetlegesnek tűnő, cikk-cakkos megoldások (1–3. kép). Annak érdekében, hogy az energiatermelő rendszerek új építés, felújítás, valamint korszerűsítés során látvány szempontjából is az épületek teljes értékű részét képezzék, sokkal gondosabb tervezésre lenne szükség. Építészeti szempontból lényegesen kedvezőbb a burkolatként alkalmazott vagy épületszerkezetbe integrált energiatermelő rendszerek képe [7].

A napelemek által megtermelt energia nagyságát nem csak a napelem tájolása határozza meg, hanem a mellett még számos más tényező is [7, 12, 10]:

a) az alkalmazott napelem típusai, mert a különböző típusok különböző hatékonysággal képesek átalakítani a napfényt elektromos árammá:

• amorf (hajlékony) napelemek: hatékonyságuk 3-6%, de jól hasznosítják a szórt fényt is. Élettartamuk mindösszesen 10 év körüli;
• polikristályos napelemek: hatékonyságuk valamivel 10% feletti (a mai fejlesztésűek akár a 21-22%-ot is elérhetik), élettartamuk körülbelül 25 év. Könnyen felismerhetők a négyszögletes cellákról, a szabad szemmel is jól látható kristályokról. Színük szürkés, kékes, de antireflexiós réteg felhordásával akár ezüst, arany, bronz, zöld, bíborvörös árnyalatai is lehetnek (16. kép). A modul méretét az elemi cellák határozzák meg;
• monokristályos napelemek: hatékonyságuk 15-17% körüli, a direkt szoláris sugárzást hasznosítják jobban. Élettartamuk 30 év körüli. Könnyen megkülönböztethetők a gyakran alkalmazott nyolcszög alakú cellák miatt, színük egységes fekete, sötétszürke. A modul méretét az elemi cellák határozzák meg;
• vékonyrétegű napelemek (thin-film technológia): a különböző technológiák hatékonysága 5–12%. Kevésbé érzékenyek a nagy melegre (jobb a hőmérsékleti együtthatójuk), a beesési szögre és az árnyékolásra. A modul méretét és formáját az alaplap mérete határozza meg. Élettartamuk 20–25 év;
• organikus napelemek: nagyipari előállításuk még nem gazdaságos. Kevésbé érzékenyek a beesési szögre, kiválóan színezhetők és mintázhatók, fémre, műanyagra és üvegre egyaránt felvihetők. Élettartamuk jelenleg még csak 3-5 év.

b) a kialakított napelemes rendszer mérete. Egy családi ház energiaellátásához cca. 20 m² napelem szükséges délre tájolt 30-40°-os dőlésszögű magastetőn, ugyanazokkal a napelemekkel keletre vagy nyugatra tájolt magastető esetén cca. 24 m² (15%-os hatékonyságromlással számolva), lapostetőn cca. 23 m² napelemre lenne szükség (10%-os hatékonyságromlással számolva), homlokzaton cca. 28 m²-re (30%-os hatékonyságromlással számolva);

c) a globális szoláris sugárzás, amely nagyban függ a napszaktól, évszaktól, de akár a légköri viszonyoktól (például páratartalom) is;

d) az, hogy szórt vagy direkt fény éri-e a napelemeket. Egyes napelemtípusok jobban, míg mások kevésbé hatékonyan hasznosítják a szórt fényt (például borús időben);

e) a környezet léghőmérséklete. A napelemek jelentős hőfokfüggőséggel rendelkeznek (például hideg időben erős napsütés mellett több áramot képesek termelni, mint meleg nyári napon);

f) a napelem felületének tisztasága. Minél jobban megül rajtuk a szennyeződés, a por, annál jobban romlik a hatásfok, így rendszeres tisztítás lehet szükséges (9., 14. kép);

g) kiárnyékolás (például fa, villanyoszlop, kémény, kiugró épületelem, másik napelem, stb. árnyéka), mivel 10%-os, részleges árnyékolás a napelemeken akár 30-50%-os teljesítménycsökkenést is okozhat.

Az alkalmazott megoldást minden esetben az elérni kívánt célok, a környezet, az épület és a rendelkezésre álló költségkeret függvényében célszerű kialakítani.

Napelemek elhelyezési lehetőségei

Napelemek elhelyezésére ma már sokkal több lehetőség kínálkozik, mint akár két évtizeddel ezelőtt. Az újabb megoldásokat nem csak építészek, kutatók keresik, hanem a népszerűsítést is kihasználva a SolarDecathlon versenyek révén az egyetemista korosztályt is bevonták a minél innovatívabb ötletek létrehozása érdekében.

Az alábbi szerkezetek esetén lehetséges leggyakrabban napelemek alkalmazása oly módon, hogy azok az építészeti koncepció szerves részét képezzék.

Magastetők

• Tetőfedésbe integrált rendszerek közül a leggyakrabban alkalmazottak azok az elemek, melyek beépítése a „tetőablakokhoz hasonló módon" történik (például Velux Model Home 2020 épületei). Ezen elemek mérete a „rátett" szerkezetként alkalmazott rendszerek méretéhez hasonlít (4. kép).

- Bár elméletileg lehetséges, és vannak is erre példák, gazdaságtalan kialakítási módjuk miatt mégsem az elemi tetőfedő elemekre felhordott napelemek terjednek, hanem a tetőfedésbe integrálható, annak modulméretével összeegyeztethető nagyobb egységet képező napelemes tetőfedő panelek. Ilyenek léteznek cserép- (például Bramac), fémlemez-(például Rheinzink) vagy akár zsindelyes fedéshez is (5–7. kép).

• A hajlékony napelemek kasírozhatók szalagokból kialakítható fémlemezfedésre (például Rheinzink, Kalcip), de az utóbbi időben egyre gyakrabban alkalmazott feszített membrán szerkezetek műszaki fóliáira (például: ETFE-fóliák; ETFE-MFM) is.
• Napelemmodulok szinte bármilyen hajásszögű tetőn alkalmazhatók burkolatként, burkolt tetőt létrehozva. A kialakítás előnye, hogy a napelemek alatt kialakuló légrétegben áramló levegő hűti a napelemeket, ami akár 15-18%-kal is javíthatja a teljesítményüket. [7] (például BME: Odooproject – SolarDecathlon Europe 2012) (8–9. kép).

Fűtetlen terek esetén, egyéb rétegek nélkül maguk a napelemek is képezhetik a tetőfedést és a térelhatárolást egyben (például Toyo Ito: Taiwan-i stadion).

Lapostetők

• Segédszerkezet alkalmazása esetén is hajlásszögcsökkenés figyelhető meg (10. kép), akár szinte a tetővel párhuzamos elhelyezésig. Ez részben lehetővé teszi, hogy az attikák a külső szemlélődő elől eltakarják a napelemeket, másrészt csökkenhet az elhelyezési távolság, amit az határoz meg, hogy a napelemek ne árnyékolják ki egymást. Az alacsony elhelyezés lehetővé teszi, hogy a tetőkre észak-dél tájolású gerinccel, fűrészfogas kialakítással soroljanak nyeregtető jelleggel elhelyezett napelemeket. Az alacsony dőlésszöggel elhelyezett napelemeken könnyebben megül a szennyeződés, ezért – az üvegtetőkhöz hasonlóan – javasolt itt is legalább 3°-os hajlásszög alkalmazása. A hatékonyság-csökkenés ellensúlyozható nagyobb felület kialakításával. „Zöldmezős beruházás" helyett nagy tetőfelületeken (például bevásárlóközpontok, ipari létesítmények) jelentős napelemparkok hozhatók létre a természetes zöldfelületek csökkentése nélkül (ezen előremutató kezdeményezésekre is van már magyar példa is).
• Napelemes rendszerek esetén a nagyobb hatékonyság érdekében fontos tényező, hogy a környezet és ezáltal a napelemek mennyire melegednek fel. Ebben az irányban nagy jelentősége lehet azoknak a szigetelő lemezeknek, melyek fehér színük és speciális felületképzésük révén a globális szoláris sugárzás jelentős részét (egyes lemezek akár 97%-át – például Renolit) visszaverik, így kevésbé melegednek fel. A visszavert szórt fényt a napelemek hasznosíthatják. Ezáltal akár 4%-os hatékonyságnövekedés is elérhető.
• Lapostetők esetén igen fontos szempont a napelemek szélszívás elleni rögzítése, lehetőleg a csapadékvíz elleni szigetelés vízhatlanságának megsértése nélkül. Az egyik lehetséges megoldást jelentheti mechanikai rögzítésű PVC tetőszigetelések esetén a szigetelésre hegeszthető PVC köpenysín, melybe alumínium sín csúsztatható, és ehhez rögzíthető a napelem panelek tartóváza (például Renolit) [7].
• A városi zöld infrastruktúra növelése tetőkre telepített növényekkel [8] és az energiatermelés napelemekkel ugyanezen tetők esetén nem zárják ki egymást. Kutatások igazolják, hogy zöldtetőn a napelemek akár 20%-kal is hatékonyabban működhetnek [11], mint csupasz tetők esetén, hiszen a növényzet és környezete nem melegszik a léghőmérséklet fölé. Ráadásul a vegetációs rétegek a napelemek szélszívás elleni rögzítését is biztosíthatják a csapadékvíz elleni szigetelés megsértése nélkül (például Optigrün).
• Kisebb hatékonysága miatt ma már kevésbé alkalmazott megoldás, de a feszített membránszerkezetek műszaki fóliáihoz hasonlóan a csapadékvíz elleni szigetelőlemezekre is kasírozható hajlékony napelem (például Soprema).

Korlátok

Az üvegkorlátokhoz hasonlóan napelemes üvegkorlátok készíthetők a kiesésgátlást biztosító szerkezeti elemek kitöltéseként (ez a gyakoribb megoldás), illetve oly módon, hogy maga az elem látja el a korlát szerepét. A napelem megfogása történhet egy-, két-, három-, sőt négyoldali befogással, furatolt és furat nélküli pontmegfogással, megtámasztással.

Árnyékolók

Napelemmodulokkal vagy üveggel kombinált napelemekkel kialakíthatók különböző árnyékoló szerkezetek akár homlokzatokon vagy üvegtetők felett, például: fix lemez vagy tábla (homlokzat síkjára merőleges kialakítástól az azzal párhuzamos kialakításig), fix vagy mozgatható vízszintes vagy függőleges lamellák vagy lamellasorok (11. kép), oldalra vagy függőleges irányban elmozdítható táblák (12. kép) stb.. De árnyékolók nemcsak önmagukban alakíthatók ki napelemekkel, hanem más árnyékolóval kombinálva (például harmonika zsalutáblák kitöltőelemeiként, 13–15. kép) vagy különleges működtetéssel (például: a Nap pályáját követő előtétszerkezet, mely körbefordul az épületen – EWE Aréna, Oldenburg).

Homlokzatburkolat

Az üveg homlokzatburkolatokhoz hasonlóan a napelemek is alkalmazhatók homlokzatburkolatként. Rögzítésük történhet vonal menti megfogással (16. kép), látszó (17. kép) vagy rejtett pontszerű megfogással (8., 18–19. kép).

A nagyobb hatékonyság érdekében célszerű átszellőztetett kéthéjú szerkezetként kialakítani a napelemes burkolatokat. A hatékonyság növelése nemcsak tetőszerkezetek esetén érhető el növényzet alkalmazásával, hanem homlokzati felületek esetén is (19. kép).

Új lehetőséget rejt magában a vékonyrétegű technológia, amellyel színes burkolóelemek is létrehozhatók (11., 17. kép) például úgy, hogy a hordozóüveg hátulról festett [1].

Üvegtetők, üvegfalak, függönyfalak

• Napelemmel kombinált egy vagy többrétegű üvegek egyaránt alkalmazhatók üvegtetők vagy üvegezett homlokzatok esetén is (20–22. kép). Ezen szerkezeteknél a napelemmodulok rögzíthetők bordás, pontmegfogásos és strukturális rendszer esetén egyaránt. Ezek a szerkezetek egyszerre valósítják meg a természetes megvilágítás, az árnyékolás és az energiatermelés hármas egységét.
• Míg tetőfelület esetén az árnyékoló hatás (21. kép) kedvező lehet a nyári hőterhelés csökkentése miatt, addig homlokzaton a cellák raszterüktől, kialakítás módjuktól függően zavarhatják a kitekintést, a környezettel összekötő vizuális kapcsolatot (22. kép). A technikai fejlesztések ezért egyre inkább törekednek arra, hogy ez a zavaró hatás minél kisebb legyen. Több lehetséges úton folynak a kutatások. Egyik lehetőség az úgynevezett „cutting" technológiával kialakított, egyedi mintára, raszterre kivágott elektronikusan vezető LOW-E bevonat, amivel szabályozott betekintésgátlás, árnyékolás hozható létre úgy, hogy a vizuális kapcsolat is megmaradjon [1]. Másik lehetőséget a vékonytechnológiával létrehozható színezett, áttetsző és ma már 10–30%-os fényáteresztéssel rendelkező napelemes üvegek (például: Onyx Solar, Polysolar) jelentik. Ezen új technológiák hatalmas lehetőségeket nyitnak meg mind üvegtetők, mind nyílászárók, üvegfalak, függönyfalak esetén, ahol már a magasházak homlokzatai is naperőművé válhatnak komolyabb építészeti kompromisszumok nélkül. 

Forrás: http://www.magyarepitestechnika.hu