FASADY FOTOWOLTAICZNE

JANUSZ MARCHWIŃSKI FASADY FOTOWOLTAICZNE TECHNOLOGIA PV W ARCHITEKTURZE WARSZAWA 2012

SPIS TREŚCI WSTĘP...........................................................7 1. Przedmiot, uzasadnienie i cel pracy....................................7 2. Literatura przedmiotu i oryginalność podjętego tematu......................9 3. Badania przyczynkowe............................................11 4. Metody projektu.................................................11 4.1. Metoda podstawowa.........................................11 4.2. Metody pomocnicze..........................................12 5. Konstrukcja pracy................................................13 I. TECHNOLOGIA FOTOWOLTAICZNA (PV)...............................15 1. Ogólna charakterystyka...........................................15 2. Historia rozwoju.................................................15 3. Technologia fotowoltaiczna na tle możliwości i technik wykorzystania energii promieniowania słonecznego.......................17 3.1. Wykorzystanie energii słonecznej w konwersji fotowoltaicznej...........18 3.1.1. Sys te my PV scen tra li zo wa ne.................................19 3.1.2. Sys te my PV zde cen tra li zo wa ne (in dy wi du la ne źró dła mo cy)..........20 3.2. Inne sposoby wykorzystania energii słonecznej w konwersji technicznej........................................21 3.2.1. Wy ko rzy sta nie ener gii sło necz nej w kon wer sji fo to ter micz nej........ 21 3.2.2. Wy ko rzy sta nie ener gii sło necz nej w kon wer sji fo to ter mo elek trycz nej....22 4. Technologia fotowoltaiczna na tle dążeń proekologicznych i idei zrównoważonego rozwoju.....................................22 4.1. Znaczenie technologii PV w bezpośrednim kontekście ekologicznym.......22 4.2. Znaczenie technologii PV w kontekście idei zrównoważonego rozwoju (pośredni kontekst ekologiczny)..............24 4.2.1. Kon tekst eko lo gicz no -etycz ny................................24 4.2.2. Kon tekst eko lo gicz no -eko no micz ny............................24 4.2.3. Kon tekst eko lo gicz no -spo łecz ny..............................26 4.2.4. Kon tekst eko lo gicz no -es te tycz ny..............................27 II. ELEMENTY TECHNOLOGII PV i JEJ GENERACJE..........................29 1. Budowa systemów fotowoltaicznych...................................29 2. Rodzaje ogniw i modułów fotowoltaicznych.............................32 3

2.1. Ogniwa fotowoltaiczne (PV)....................................32 2.2. Moduły fotowoltaiczne (PV).....................................33 3. Generacje modułów PV w aspekcie architektonicznym.....................35 3.1. Generacja I (BAPV)..........................................35 3.2. Generacja II (BIPV)...........................................36 3.3. Generacja III najnowsze rozwiązania, prototypy i tendencje rozwojowe.....41 4. Moduły PV w obrębie elewacji klasyfikacja............................41 III. ZASTOSOWANIE ELEMENTÓW TECHNOLOGII PV W OBRĘBIE ELEWACJI W KONTEKŚCIE KSZTAŁTOWANIA ARCHITEKTURY BUDYNKU...............43 1. Analizy przedprojektowe terenu.....................................43 1.1. Znaczenie promieniowania słonecznego...........................43 1.1.1. Sto pień przej rzy sto ści at mos fe ry.............................44 1.1.2. Po ło że nie Słoń ca nad ho ry zon tem (azy mut sło necz ny)..............44 1.1.3. Kąt pa da nia pro mie ni sło necz nych............................45 1.2. Znaczenie temperatury powietrza zewnętrznego.....................46 1.3. Znaczenie wiatru............................................48 1.4. Znaczenie opadów atmosferycznych..............................50 1.5. Podsumowanie............................................. 50 1.5.1. Osza co wa nie si ły od dzia ły wa nia czyn ni ków kli ma tycz nych na sys te my PV...........................................51 1.5.2. Kon se kwen cje ar chi tek to nicz ne wpły wu czyn ni ków kli ma tycz nych na sys te my PV............................................52 2. Kontekst urbanistyczny............................................53 2.1. Zagospodarowanie przestrzenne otoczenia.........................53 2.2. Kształtowanie zabudowy obiektu.................................58 2.3. Konsekwencje zacienienia płaszczyzny modułów PV efekt mismatch loss.63 3. Funkcja użytkowa................................................64 3.1. Strefowanie funkcjonalne......................................64 3.2. Dodatkowe powierzchnie użytkowe...............................70 4. Konstrukcja....................................................72 4.1. Rozwiązania konstrukcyjno-budowlane przegród zewnętrznych z modułami PV............................72 4.1.1. Mo du ły PV okła dzi no we....................................73 4.1.2. Mo du ły PV ja ko ele ment szkla nych ścian słu po wo -ry glo wych.........74 4.1.3. Mo du ły PV zin te gro wa ne ze szkla ny mi ścia na mi ze spo lo ny mi........77 4.1.4. Ele wa cje po dwój ne (do uble -skin fa ca des).......................80 4.1.5. Ele men ty i sys te my za cie nia ją ce..............................82 4.2. Dostosowanie konstrukcji budynku pod elementy systemu PV............85 4

4.2.1. Wpro wa dze nie do dat ko wych ele men tów wspor czych dla ścian osło no wych......................................85 4.2.2. Wzmoc nie nie kon struk cji ścia ny ze wnętrz nej.....................86 4.2.3. Wpro wa dze nie do dat ko wych fun da men tów......................87 4.2.4. Wzmoc nie nie kon struk cji ścian we wnętrz nych i stro pów.............87 4.3. Wpływ cech konstrukcyjno-budowlanych budynku na zastosowanie systemów PV..................................88 4.3.1. Za cie nie nie ele men ta mi kon struk cyj ny mi........................88 4.3.2. Przy sto so wa nie kon struk cji do prze ję cia do dat ko wych ob cią żeń.......89 4.3.3. Kon struk cja ścia ny ele wa cyj nej a tech no lo gia kon struk cyj no -ma te ria ło wa mo du łów PV........................89 5. Funkcja estetyczna...............................................91 5.1. Wpływ modułów PV na cechy estetyczne budynku....................93 5.1.1. Geo me tria ar chi tek tu ry.....................................93 5.1.2. War to ści se mio tycz ne bu dyn ku..............................102 5.1.3. Eks pre sja ar chi tek to nicz na bu dyn ku...........................104 5.2. Zastosowanie modułów PV pod wpływem przesłanek estetycznych....... 108 5.2.1. Geo me tria ar chi tek tu ry....................................109 5.2.2. Zna cze nia se mio tycz ne....................................111 5.2.3. Pod po rząd ko wa nie roz wią zań ak tyw nych eks pre sji ar chi tek to nicz nej.....113 6. Użytkowanie..................................................118 6.1. Użytkowanie budynku w aspekcie jakości środowiska wewnętrznego.....119 6.1.1. Środowisko atmosferyczne.................................119 6.1.2. Śro do wi sko świetl ne prze strze ni we wnętrz nej ikon takt wzro ko wy z oto cze niem............................137 6.2. Proces użytkowania budynku a dobór modułów PV..................140 6.3. Użytkowanie budynku w kontekście utrzymania i konserwacji...........145 6.3.1. Mo du ły PV ja ko ele men ty okła dzi no we........................145 6.3.2. Mo du ły PV zin te gro wa ne ze szkle niem ze spo lo nym...............146 6.3.3. Mo du ły PV ja ko ele ment szkla nych ścian słu po wo -ry glo wych........146 6.3.4. Mo du ły PV w ele wa cjach dwu pow ło ko wych....................147 6.3.5. Mo du ły PV ja ko prze strzen ne ele men ty i sys te my za cie nia ją ce.......148 6.4. Użytkowanie budynku w kontekście ochrony odgromowej i przeciwprzepięciowej......................................149 6.4.1. Ze wnętrz na ochro na od gro mo wa............................149 6.4.2. We wnętrz na ochro na od gro mo wa...........................150 6.5. Użytkowanie budynku w kontekście ekonomicznym..................150 6.5.1. Czas zwro tu kosz tów ener gii (Ener gy Pay back Ti me)..............151 6.5.2. Kosz ty ze wnętrz ne.......................................153 5

6.5.3. Użyt ko wa nie mo du łu PV ja ko kom po nen tu bu dow la ne go (BIPV).......154 6.5.4. Sprze daż ener gii elek trycz nej do sie ci sys te my wspar cia...........155 IV. PROJEKTOWANIE BUDYNKÓW Z FASADĄ FOTOWOLTAICZNĄ (PV) W ASPEKCIE JEJ INTEGRACJI Z ARCHITEKTURĄ........................161 1. Kształtowanie fasad PV zagadnienia ogólne..........................162 2. Kształtowanie fasad z modułami PV okładzinowymi i fasad PV szklanych.....163 2.1. Budynki nowo projektowane...................................163 2.2. Budynki modernizowane......................................165 3. Kształtowanie fasad z modułami PV okładzinowymi.....................166 3.1. Budynki nowo projektowane...................................166 3.2. Budynki modernizowane......................................167 4. Kształtowanie szklanych fasad PV...................................169 4.1. Budynki nowo projektowane...................................169 4.2. Budynki modernizowane......................................172 5. Kształtowanie fasad PV zacieniających...............................174 5.1. Budynki nowo projektowane...................................174 5.2. Budynki modernizowane......................................177 6. Zestawienia zbiorcze............................................179 6.1. Integracja architektoniczna a rodzaj fasady PV okre śle nie związ ków fa sad PV z ce cha mi ar chi tek tu ry bu dyn ku.........179 6.2. Zagadnienia urbanistyczne dotyczące związków technologii PV i architektury budynku.....................180 6.3. Zagadnienia funkcjonalne dotyczące związków technologii PV i architektury budynku....................181 6.4. Zagadnienia konstrukcyjno-budowlane dotyczące związków technologii PV i architektury budynku....................182 6.5. Zagadnienia estetyczne dotyczące związków technologii PV i architektury budynku....................183 6.6. Zagadnienia użytkowania budynku dotyczące związków technologii PV i jego architektury.......................185 6.7. Ogólna typologia kształtowania fasad PV.........................188 WNIOSKI.......................................................191 BIBLIOGRAFIA...................................................195 STRESZCZENIE (SUMMARY).........................................204 ANEKS.........................................................207 6