Moduły PV na elewacjach budynków. Analiza rozwiązań dostępnych na rynku

Należy pamiętać, że moduły fotowoltaiczne zawieszane na ścianach budynku podlegają wielu przepisom i uwarunkowaniom prawnym. Obecnie w projektach polegających na montażu instalacji fotowoltaicznych spotykamy dużo błędów. To samo dotyczy przypadków, gdzie przy okazji jest wykonywana termomodernizacja ścian zewnętrznych. Projektanci zapominają o takich aspektach jak ochrona cieplna budynku, bezpieczeństwo pożarowe, bezpieczeństwo użytkowania, w tym odporność ustroju elewacji na zmiany termiczne. Często bowiem okazuje się, że do tego typu montażu używane są systemy dedykowane do instalacji na pokryciu dachowym.

Niestety klasyczne okładziny elewacyjne musza spełnić dużo więcej przepisów z tym związanych. Okazuje się, że standardowe klemy w układzie pionowym nie zapewniają odpowiedniego zamocowania dla okładzin chociażby w świetle wymogów p-poż. oraz rozszerzalności termicznej konstrukcji. Poza tym praca konstrukcji to nie tylko termika, lecz głównie przemieszczanie się elementów budynku od obciążeń stałych i zmiennych.    

REKLAMA

Rys. nr 1. Rozwiązania firmy Energy5 – układ niwelujący pracę konstrukcji od obciążeń termicznych i pracy budynku.

Klasycznym rozwiązaniem jest montaż jako elewacja wentylowana. W standardowych rozwiązaniach dostępnych na rynku system takiej elewacji tworzy: podkonstrukcja aluminiowa (w tym konsole), warstwa izolacyjna z welonem, która szczelnie przylega do powierzchni ściany oraz okładziny zewnętrzne (płyty elewacyjne – w tym przypadku moduły fotowoltaiczne) stanowiące dodatkowo ochronę przed wpływem warunków atmosferycznych. Pomiędzy warstwą izolacji, a płytami znajduje się przestrzeń wentylacyjna (min 20 mm), umożliwiająca swobodny przepływ powietrza pomiędzy nimi oraz w przypadku modułów w skuteczny sposób je chłodzi. To właśnie konsole i ruszt są głównym elementem mocującym okładzinę do np. ściany budynku i podlegają one wielu wymogom zawartym w obowiązujących przepisach

Rys. nr 2. Rozwiązania Energy5 cd. – układ niwelujący pracę konstrukcji od obciążeń termicznych i pracy budynku.

Pierwszym z nich jest tworzenie tzw. punktowych mostków termicznych, które powstają poprzez przebijanie ocieplenia do konstrukcji stanu surowego budynku. Tymczasem w projektach spotykamy elementy z grubych kształtowników stalowych lub aluminiowych. Niestety zastosowanie nieodpowiednich materiałów wpływa w bezpośredni sposób na efektywność energetyczną danego obiektu oraz w miejscu mocowań może pojawić się pleśń i grzyb.

Warto nadmienić, że efektywność energetyczna budynku to ilość zaoszczędzonej energii ustalonej w drodze pomiaru lub oszacowania zużycia przed wdrożeniem środka mającego na celu poprawę efektywności energetycznej i po jego wdrożeniu, z jednoczesnym zapewnieniem normalizacji warunków zewnętrznych wpływających na zużycie energii. A przecież w termomoderacji i związanym z tym przedsięwzięciu o to chodzi. 

W Polsce tego typu wytyczne zostały określone w Rozporządzeniu Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia 5 lipca 2013r. (poz.926).- [WT] Zgodnie z zawartymi tam wymogami od 2014 do 2021 r. zaplanowano stopniowe obniżanie parametrów współczynnika przenikania ciepła dla przegród budowlanych. Tabela poniżej pokazuje jak zmieniają się te wymogi w odniesieniu do ścian zewnętrznych.

Tabela nr 1. Wymogi prawne w zakresie współczynników ścian zewnętrznych.

W tym zakresie ustawodawca zadbał również o określenie procedury według której należy dokonać doboru i kalkulacji przyjmowanych rozwiązań projektowych. Dlatego warto nadmienić, że obliczenia powinny być wykonane zgodnie normami zawartymi w wykazie polskich norm powołanych w rozporządzeniu. W tym konkretnym przypadku pozycja 69 w odniesieniu do załącznika nr 2 WT, podpunkt 1.1 przywołuje normę PN-EN ISO 6946:2008 „ Komponenty budowlane i elementy budynku – Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła – Metoda obliczeniowa”  Natomiast treść punktu nr 1.1 {WT} mówi:

„Wartości współczynnika przenikania ciepła UC ścian, dachów, stropów i stropodachów dla wszystkich rodzajów budynków, uwzględniające poprawki ze względu na pustki powietrzne w warstwie izolacji, łączniki mechaniczne przechodzące przez warstwę izolacyjną oraz opady na dach o odwróconym układzie warstw, obliczone zgodnie z polskimi normami dotyczącymi obliczania oporu cieplnego i współczynnika przenikania ciepła (…)”

Następnym wymogiem, jakiemu powinna odpowiadać tego typu konstrukcja, jest nieodpadanie podczas pożaru w określonym przez przepisy czasie. Niniejsze wymogi zostały zawarte w „Warunkach technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie”, a konkretnie w § 225, który mówi:

„Elementy okładzin elewacyjnych powinny być mocowane do konstrukcji budynku w sposób uniemożliwiający ich odpadanie w przypadku pożaru w czasie krótszym niż wynikający z wymaganej klasy odporności ogniowej dla ściany zewnętrznej, określonej w § 216 ust. 1, odpowiednio do klasy odporności pożarowej budynku, w którym są one zamocowane”

Oznacza to, że w przypadku klasy pożarowej budynku A okładzina elewacyjna powinna nie odpaść przez 120 minut, w klasie B przez 60 minut oraz w klasie C przez 30 minut. Większość obecnych na rynku rozwiązań nie spełnia tego przepisu już przy wymogach w zakresie 60 minut. 

Fot. 1 i 2. Testy dotyczące odpadania elewacji podczas pożaru.

Powyższe pokazuje, że w wyniku zastosowania konsol i rusztu wykonanych tylko z aluminium, konstrukcja nośna elewacji całkowicie się stopiła w miejscu najbardziej narażonym na działanie ognia.

Następnym parametrem, jaki powinny spełniać konsole mocujące elewacje, jest odporność na korozję między-materiałową. Dostępne na rynku rozwiązania z aluminium nie mają tzw. zgodności chemicznej z alkalicznymi materiałami budowlanymi, którymi między innymi jest beton. W kontakcie z takimi materiałami jak zaprawa murarska i beton, na powierzchni aluminium powstają wyraźne plamy i wżery trudne do usunięcia, a po jakimś czasie mogące doprowadzić do osłabienia nośności całej konstrukcji.

W obecnych rozwiązaniach do konsol aluminiowych stosuje się podkładki z folii EPDM lub innych tworzyw sztucznych. Podobne materiały stosuje się również jako rozdzielenia elementu wspornika przebijającego warstwę ocieplenia lub jako przedłużenie konsoli. Problem polega na tym, że zastosowanie tych elementów ograniczają przepisy przeciwpożarowe zawarte w Warunkach Technicznych. Są to między innymi:

• § 216 punkt 2 – „Elementy budynku, o których mowa w ust. 1, powinny być nierozprzestrzeniające ognia, przy czym dopuszcza się zastosowanie słabo rozprzestrzeniających ogień (….)”
• § 216 punkt 8 – „W budynku, na wysokości powyżej 25 m od poziomu terenu, okładzina elewacyjna i jej zamocowanie mechaniczne, a także izolacja cieplna ściany zewnętrznej, powinny być wykonane z materiałów niepalnych”
• § 235 podpunkt 2.  – „Ścianę oddzielenia przeciwpożarowego należy wysunąć na co najmniej 0,3 m poza lico ściany zewnętrznej budynku lub na całej wysokości ściany zewnętrznej zastosować pionowy pas z materiału niepalnego o szerokości co najmniej 2 m i klasie odporności ogniowej E I 60″.

Wszystkie dostępne na rynku materiały stasowane do izolowania konsol nie spełniają powyższych przepisów. Rysunek nr 3 prezentuje przykłady takich rozwiązań.

1. Element aluminiowy
2. Podkładka wspornika konsoli z materiału niesklasyfikowanego pod kątem NRO oraz niepalności.

Rys. nr 3. Schemat rozwiązań konsol dostępnych na rynku z elementami modyfikującymi ich właściwości termiczne bez uwzględnienia innych wymogów wynikających z Warunków Technicznych.

Odpowiedzią na powyższe obwarowania i wymogi prawne jest stosowanie w projektach rozwiązań Energy5 Sp. z o.o. konsol termicznych ze stali nierdzewnej oraz dozbrojonego rusztu aluminiowego odpornego na warunki pożarowe. 

Rys. nr 4. Przykład konsoli nierdzewnej typu HI, λ = 17 W/m*K.

Rys. nr 5. Konsola termiczna o bardzo niskiej przewodności termicznej typu HI+, λ = 4,3 W/m*K.

REKLAMA

Rys. nr 6. Zbrojony ruszt aluminiowy odporny na warunki p-poż.

Rozwiązania zaprezentowane na powyższych rysunkach (4, 5 i 6) charakteryzują się następującymi zaletami i przewagami:  

1. Konsola w wersji HI i HI+ jest wykonana ze stali nierdzewnej o specjalnie zaprojektowanym kształcie, który pozwala osiągnąć bardzo wysoką nośność przy grubości ścianki 2 i 3 mm.
2. Konsola nierdzewna HI+ (rys. nr 3) wykazuje w obliczeniach bardzo dobre parametry izolacyjności termicznej w odniesieniu do odpowiedników wykonanych z aluminium. Jest to spowodowane wielokrotnie niższym parametrem λ, który w tym przypadku wynosi 4,3 W/(m*K) natomiast w aluminium 200 W/(m*K).

Rys. nr 5. Rozkład izoterm przy zastosowaniu konsol AGS typu HI+ λ = 4,3 W/m*K.

Rys. nr 6. Rozkład izoterm przy zastosowaniu konsoli aluminiowej  λ = 200 W/m*K.

Powyższe analizy wykazują, że w przypadku konsoli HI+ wykonanej ze stali nierdzewnej (rys. nr 5) bez tzw. termopodkładek w skuteczny sposób ogranicza ona przewodzenie zimna do ściany przykrytej wełną mineralną. Rozkład izoterm pokazuje, że na murze w miejscu styku konsoli mamy temperaturę ponad 15⁰C, a cały mur przez swoją grubość nie wykazuje znacznych zaburzeń termicznych. Natomiast analiza pokazana na rys. nr 4 wykazuje, że w przypadku konsoli wykonanej z aluminium również bez termopodkładek izoterma temperatury 0⁰C przesunęła się w głąb grubości ściany. Natomiast inne izotermy pokazują, w jak istotny sposób konsola wykonana z aluminium wpływa na straty ciepła i miejscowe wychłodzenie ściany od strony wewnętrznej.

Materiał wykonania konsol (stal nierdzewna 304 i 316) ma temperaturę topnienia ponad 1400⁰C. Tym samym jest ona niższa od temperatury rozwiniętego pożaru, zgodnie z którym wykonuje się testy ogniowe np. w Instytucie Techniki Budowlanej. Pozwala to spełnić zapisy §225 „Warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie”.

Fot. 3. Konsola AGS typu HI+.

Stal nierdzewna jest materiałem, który posiada tzw. zgodność chemiczną z alkaicznymi materiałami budowlanymi. Dlatego też stosowanie jakichkolwiek podkładek nie jest konieczne, a tym samym zostaje podniesiona izolacyjność termiczna.

Ruszt aluminiowy, zbrojony elementami nierdzewnymi, jest przeznaczony do stosowania w pasach nadprożowo-podokiennych tam, gdzie podczas pożaru występie największe oddziaływanie ognia. Wówczas jest on domocowany elementem kątowym poprzez pasek stali nierdzewnej do najbliższej konsoli nośnej, która jest wykonana również ze stali nierdzewnej. Podczas pożaru aluminium wytopi się, a elementy okładzin zawisną na pasku nierdzewnym.

Rozwiązania zostały przebadane przez Instytut Techniki Budolwanej oraz Politechnikę Warszawska w zakresie ETAG 034 oraz przewodności termicznej konsol, na podstawie której ustalono współczynnik λ łącznika. Uzyskano wynik dla konsol HI+ λ = 4,3 [W/m²*K]. Tym samym bez stosowania żadnych elementów niemetalicznych rozwiązania osiągają nawet te parametry obowiązujące od roku 2021.

Poniżej podano dwie kalkulacje termiki wg normy PN-EN ISO 6946 dla założeń:

• ściany zewnętrznej budynku grubości 18 cm, żelbetowa, zbrojona o współczynniku λ = 2,3 [W/m*K]
• wełna mineralna grubości 16 cm i współczynniku λ = 0,034 [W/m*K]

1. Przypadek

• jedna konsola aluminiowa na m² o przekroju przebijającym ocieplenie 4/100 mm
• kołki do wełny ze stali nierdzewnej, 5 szt. na m² 

Tabela 2. Obliczenia termiczne z konsolami aluminiowymi (kliknij, aby powiększyć).

Jak widać z powyższych obliczeń, sama poprawka na konsole aluminiową przekracza dopuszczalne wartości U_c wymaganego dla ścian zewnętrznych nawet te obowiązujące przed rokiem 2014. Sumując zaś wszystkie dane dotyczące poprawek, okazuje się, że wynik w polu czerwonym przy zastosowaniu tylko jednej konsoli na m² (przypadek dla naprawdę lekkich okładzin) przekracza obecnie obowiązujące wymogi ponad dwu i pół krotnie. Niestety kalkulacje wykonane przez Instytut Techniki Budowlanej w jednej z aprobat na zestaw wyrobów do wykonywania wentylowanych okładzin elewacyjnych wykazał, że w przypadku konsol aluminiowych przy zastosowaniu tzw. termopodkładek grubości aż 10 mm i współczynniku λ = 0,07 [W/m*K] wynik poprawia się w zakresie 0,03 – 0,06 [W/m²*K]. W analizowanym powyżej przypadku przy zastosowaniu tychże elementów izolujących otrzymalibyśmy ostatecznie U_c = 0,517 [W/m²*K].   

2. Przypadek

• jedna konsola typu HI+ na m²  o przekroju przebijającym ocieplenie 3/100 mm
• kołki do wełny ze stali nierdzewnej, 5 szt. na m² 
   

Tabela 3. Obliczenia termiczne z konsolami AGS TYPU HI+ (kliknij, aby powiększyć).

Z powyższych obliczeń wynika, że obowiązujące przepisy są spełnione w zakresie ochrony termicznej budynku. Na uwagę zasługuje skojarzone rozwiązanie dwóch produktów. Chodzi tu o konsolę HI+ z wełną firmy Isover Super Vent Plus o współczynniku λ = 0,031. Przy zastosowaniu ocieplenia grubości 20 cm i 5 kołków tworzywowych otrzymujemy rewelacyjny wynik U_c  = 0,154 [W/m²*K] jak przedstawiono w tabeli nr 4 poniżej. Należy podkreślić, że poprawka ze względu na konsolę HI+ to ΔU = 0,005 [W/m²*K]. Teki zestaw wyrobów jest przeznaczony dla budynków, które są projektowane z myślą o oszczędności energii, a tym samym środowiska naturalnego.

W przypadku zastosowania innych konsol do przypadku z poniższej tabeli otrzymujemy:

• konsoli aluminiowej gr. 4 mm bez term podkładką  – ΔU = 0,294 [W/m²*K], wynik dla U_c = 0,443 [W/m²*K],
• Konsoli aluminiowej gr. 4 mm z termo podkładką (gr. 10 mm i λ = 0,007 [W/m*K]) – ΔU = 0,244 [W/m²*K], wynik dla U_c = 0,393 [W/m²*K],

Pomimo zastosowania bardzo dobrego materiału izolacyjnego o grubości 20 cm, przy uwzględnieniu tylko jednej konsoli aluminiowej (przypadek dla lekkich okładzin) zostały przekroczone dopuszczalne wartości U_c nawet przy zastosowaniu termo podkładki gr 10 mm. 

Tabela 4. Obliczenia termiczne z konsolami AGS TYPU HI+ z wełną firmy Isover Super Vent Plus o współczynniku λ = 0,031 (kliknij, aby powiększyć).
 

Cezary Rutkowski, Cr-consulting

artykuł sponsorowany