Montaż paneli a wytrzymałość dachów

Realizacja inwestycji w panele fotowoltaiczne obejmuje nie tylko same prace związane z instalacją PV, ale powinna zawierać także projekt instalacji. W przypadku usytuowania na dachu konieczna jest analiza możliwości montażu PV oraz wskazanie miejsca, w którym znajdować się będą panele. Nawet jeżeli znajdziemy lokalizację, która spełnia wymogi odpowiedniego nasłonecznienia, to przed realizacją powinna być wykonana ekspertyza wytrzymałości dachu. W jaki sposób projektanci obliczają, czy dana konstrukcja dachowa wytrzyma ciężar obciążenia instalacją fotowoltaiczną? Przyjrzyjmy się temu procesowi.

Zajmowane miejsce i ciężar instalacji

Produkowane seryjnie panele fotowoltaiczne przeznaczone do instalacji na dachu domu jednorodzinnego wyposażone są zazwyczaj w 60 ogniw o wymiarach 15 na 15 cm. Panele układane są najczęściej w rzędach po 6 sztuk, a następnie łączone szeregowo. Przyjmuje się, że szerokość jednego modułu sięga zwyczaj ok. 1 metra. Długość może być bardzo różna i zależy od mocy modułu, najczęściej jest to około 160 cm. Oznacza to, że na każdy 1 kWp instalowanej mocy trzeba przeznaczyć przestrzeń montażową około 6 m², uwzględniającą konieczne odstępy pomiędzy modułami instalacji.

 

Fot. 1. Same panele zamontowane płasko na połaci dachu nie powodują znacznego dodatkowego obciążenia (Zeneris Projekty)

Na ciężar panelu fotowoltaicznego mają wpływ konstrukcja oraz technologia, w jakiej został on wyprodukowany. Instalacja fotowoltaiczna składa się z modułów, których waga każdego waha się od 16 do 25 kg. Można zatem przyjąć, że instalacja o mocy 3 kWp przekłada się na obciążenie całkowite około 250 kg (192–300 kg). W przypadku PV o mocy zainstalowanej wynoszącej 5‒6 kWp waga konstrukcji fotowoltaicznej może dochodzić do około 500‒600 kg. Przy tym w przeliczeniu na 1 m² obciążenie spowodowane samymi panelami jest niewielkie, nie przekracza kilkunastu kg.

Jak liczona jest wytrzymałość dachu na potrzeby instalacji PV?

Przystępując do oceny możliwości obciążenia konstrukcji instalacją PV, na początku wykonuje się obliczenia wytrzymałości statycznej samego dachu. Uwzględniane jest przy tym obciążenie statyczne każdego z jego elementów, do których można zaliczyć warstwę wierzchnią (np. blachodachówkę), łaty i kontrłaty dachu, ciężar papy i belek. Po zsumowaniu wartości wywieranego obciążenia przez każdy z tych elementów (liczone w kN/m²) przemnażane są one przez współczynnik bezpieczeństwa dla właściwości materiału. Współczynnik ten oznaczany jest zazwyczaj w projektach literą gamma z indeksem f [γf]. Wartość ta odczytywana jest z tablic dla danej konstrukcji np. dla drewna i materiałów drewnopochodnych lub odpowiednio dla konstrukcji żelbetowych. W obliczeniach uwzględniany jest kąt nachylenia dachu mający wpływ na obciążenie. W efekcie, po wykonaniu obliczeń, konstruktor otrzymuje wartość obciążenia stałego konstrukcji dachowej, wyrażonego w kN/m².

 

Fot. 2. Balast utrzymujący na miejscu konstrukcję wsporczą, działanie wiatru na panele, zatrzymywany śnieg to potencjalnie źródło bardzo dużego dodatkowego obciążenia dachu (Zeneris Projekty)

Następnie konieczne jest obliczenie wpływu warunków atmosferycznych – oddziaływania wiatru i ciężaru pokrywy śnieżnej na obciążenie dachu. W przypadku wiatru uwzględniamy połać dachu od strony zawietrznej i nawietrznej. Podobnie jak dla oceny obciążenia samego dachu należy uwzględnić współczynnik bezpieczeństwa. Kwestię oddziaływania wiatru na obiekty budowlane reguluje europejska norma oddziaływań wiatru. Można ją odczytać z tabeli dla danej strefy. W Polsce wyróżnia się trzy strefy, w zależności od regionu. Większa część Polski należy do strefy pierwszej, dla której prędkość wiatru szacowana jest na 20 m/s. Strefa druga obejmuje północną część województw zachodnio- pomorskiego, pomorskiego oraz warmińsko-mazurskiego. W tej części Polski przyjmuje się, że wiatr, bez uwzględniania przypadków ekstremalnych, dochodzić może do 30 m/s. W strefie trzeciej, którą stanowi południowa część województw dolnośląskiego, opolskiego, śląskiego, małopolskiego oraz podkarpackiego wiatr może normalnie przyjmować wartość do 47 m/s. Zazwyczaj obliczenia dla części połaci zawietrznej obciążenia przyjmują wartość ujemną (działanie korzystne), co uwzględniane jest w kalkulacjach. Podobne obliczenia wykonywane są przy szacowaniu wpływu pokrywy śnieżnej na obciążenie dachu. W zależności od regionu przyjmowana jest różna wartość pokrywy śnieżnej, dla każdej z 5 wyróżnionych stref. W południowo-zachodniej Polsce przyjmuje się najmniejsze obciążenie 0,7 kN/m² co równoważne jest 70 kg/m². W okolicach Tatr będzie to najwięcej, bo aż 2,0 kN/m², czyli 200 kg/m². Wartość ta uwzględniana jest do obliczeń całorocznych dla budynku. W przypadku dachów o konstrukcji drewnianej maksymalne przyjmowane obciążenie śniegiem stanowi zazwyczaj największy wkład do całości obciążenia dachu. Jednak tu duże znaczenie ma kąt nachylenia dachu oraz jego kształt. Uwzględnia się np. fakt, że na dachu o znacznym nachyleniu nie utrzymuje się grubsza warstwa śniegu, ale za to w tzw. koszach, czyli miejscach zbiegu połaci może się gromadzić go znacznie więcej niż na pozostałej części.

Dopiero po wyliczeniu wartości obciążenia dla konstrukcji dachowej oraz warunków klimatycznych można wziąć pod uwagę wpływ samej instalacji fotowoltaicznej na wytrzymałość konstrukcji.

Podobnie jak w przypadku analizy obciążenia statycznego samej konstrukcji dachowej oddziaływanie paneli fotowoltaicznych wraz z ich konstrukcją wsporczą rozpatrywane jest z uwzględnieniem czynników atmosferycznych.

Obciążalność wiatrem ma szczególnie duże znaczenie w przypadku instalacji na dachach płaskich. Wiatr działa wówczas na ustawione na nich – mniej lub bardziej pionowo – moduły fotowoltaiczne podobnie jak na żagiel. Po zsumowaniu wszystkich części składowych obciążenia dachu otrzymywany jest rezultat w postaci obciążenia dachu instalacją fotowoltaiczną. Jeżeli nie przekracza on normy, wówczas instalacja na dachu może być wykonana bez żadnych przeszkód.

Co, jeśli obecna konstrukcja dachowa nie umożliwia instalacji fotowoltaicznej ze względu na zbyt duże obciążenie? Nie zawsze stanowi to przeszkodę nie do pokonania. Często w ekspertyzie dopuszcza się zastosowanie systemu instalacji paneli fotowoltaicznych po wzmocnieniu odpowiednich elementów konstrukcji dachowej.

Stan i rodzaj dachu

Instalacje fotowoltaiczne mogą być montowane na większości typów pokryć dachowych. Elementy konstrukcyjne, tj. krokwie dachowe, nie mogą być jednak uszkodzone, spróchniałe lub zmurszałe, bo to mogłoby drastycznie zmniejszyć ich wytrzymałość. Z kolei pokrycia z dachówki ceramicznej lub cementowej (betonowej) powinny stanowić jednolitą, niepopękaną powierzchnię. Natomiast dachy wykonane z blachodachówki lub blachy trapezowej nie mogą nosić śladów korozji. Przed podjęciem decyzji o montażu instalacji fotowoltaicznej na dachu bardzo ważna jest weryfikacja jego rzeczywistego stanu technicznego. Analiza obciążenia wnoszonego przez konstrukcję PV do całkowitego ciężaru dachu jest szczególnie ważna, gdy dom jest starszy, a jego elementy konstrukcyjne podlegały przez dłuższy czas eksploatacji.

Montaż systemu PV na dachu płaskim jest dość wygodny ze względu na łatwy dostęp i możliwość bezpiecznego poruszania się po nim. Wymaga on jednak odpowiedniego przygotowania konstrukcji dla PV, ponieważ optymalny kąt nachylenia paneli wynosi w polskich warunkach około 35 stopni w stosunku do poziomu. Z tego właśnie powodu fotowoltaika na płaskim dachu wymaga zastosowania konstrukcji wsporczej, która wpływa także na obciążenie dachu. Konstrukcje takie wykonuje się zwykle z lekkich, a zarazem solidnych materiałów, takich jak aluminium. Dodatkowo konieczne jest także uwzględnienie wpływu wiatru na pochyloną pod kątem instalację i dociążenie jej. System taki często dociążany jest betonowymi obciążnikami. Średnio na 1 panel stosuje się 3 bloczki o masie 25 kg każdy. Czyli balast waży ponad 3 razy więcej niż sam panel! Alternatywą może być obciążenie innym rodzajem balastu lub odpowiednio solidne mocowanie.

Typ dachu	Zalety	Wady
Dwuspadowy	Nie wymaga dodatkowej konstrukcji zmieniającej kąt nachylenia paneli do słońca	Trudniejszy dostęp do instalacji niż dach płaski, wybór tylko spośród dwóch płaszczyzn nasłonecznienia, zwykle nieoptymalny kąt nachylenia do słońca
Czterospadowy kopertowy	Nie wymaga dodatkowej konstrukcji zmieniającej kąt nachylenia paneli do słońca	Trudniejszy dostęp do instalacji niż dach płaski, relatywnie mała powierzchnia do wykorzystania, nieoptymalny kąt nachylenia do sło
Płaski lub jednospadowy o małym nachyleniu	Łatwy dostęp do instalacji, duża powierzchnia do wykorzystania, możliwość wyboru kierunku ustawienia i kąta nachylenia paneli	Wymaga konstrukcji wsporczej, co zwiększa koszt i obciążenie dachu

W porównaniu do dachu płaskiego, instalacja na dachach dwuspadowych skośnych jest już nieco utrudniona. Zaś na dachu czterospadowym kopertowym będzie stanowić pewne wyzwanie dla ekipy wykonawczej. Przede wszystkim ze względu na ograniczoną ilość miejsca do zagospodarowania. Problemem w przypadku dachów innych niż płaskie często jest też ustawienie względem stron świata i nieoptymalny kąt padania promieni słonecznych.

Kompendium wiedzy publikowane wspólnie z partnerem merytorycznym Zeneris Projekty.

Zeneris Projekty
www.zenerisprojekty.pl