Montaż paneli a wytrzymałość dachów

Przyczyną może być nieoptymalne położenie dachu ze względu na kierunek padania promieni słonecznych, okoliczne drzewa rzucające cień lub występujące na nim kominy, lukarny i anteny. Nie każda konstrukcja dachowa bez odpowiedniego wzmocnienia, wytrzymuje także obciążenie wymagane przez instalację PV. Jaki dach najlepiej nadaje się pod instalację PV i jakie warunki musi spełniać, by można było na nim zainstalować fotowoltaikę? Jakie czynniki związane z wytrzymałością na obciążenia trzeba uwzględnić? Na te pytania postaramy się odpowiedzieć w tym artykule.

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 na15 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.

Na ciężar panelu fotowoltaicznego mają wpływ konstrukcja oraz technologia, w jakiej została ona 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 czym 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 wykonywane są 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 [ɣ_f]. 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.

Same panele zamontowane płasko na połaci dachu nie powodują znacznego dodatkowego obciążenia fot. 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.

 

Jaki dach jest odpowiedni do montażu instalacji?

Panele słoneczne można zainstalować niemal na każdym rodzaju pokrycia dachowego. Przed montażem należy jednak dokładnie sprawdzić stan techniczny dachu. Konstrukcja musi spełniać wymagania wytrzymałościowe i mieć odpowiednią nośność. Dostępnych rozwiązań jest wiele. Przy dachach skośnych z blachodachówki można zamontować panele za pomocą śrub dwugwintowych, wkręcanych w elementy konstrukcyjne dachu (krokwie, płatwie). Jeśli budynek ma pokrycie z blachy trapezowej o odpowiedniej grubości można wykorzystać tak zwane mostki trapezowe, czyli specjalne szyny mocowane do szczytów trapezów.

W przypadku dachów płaskich można zaś zastosować konstrukcje kotwione (mocowane do dachu) lub z balastem (obciążeniem) - całkowicie bezinwazyjne. Jednak zawsze należy wykonać oględziny, aby dobrać najlepsze rozwiązanie do konkretnego budynku. W przypadku dachów skośnych wykorzystuje się ich kąt nachylenia i montuje instalację bezpośrednio na pokryciu. W Polsce optymalne jest ustawienie paneli pod kątem 20-45° - wtedy można cieszyć się największą wydajnością systemu. Płaski dach nie jest żadną przeszkodą. Po prostu, pożądany kąt nachylenia osiągamy dzięki odpowiedniej konstrukcji wsporczej. Zaletą płaskiego dachu jest za to możliwość ustawienia paneli wprost na południe, bez względu na usytuowanie samego budynku.

Kinga Chwiałkowska, specjalistka ds. konstrukcyjnych Zeneris Projekty.

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.

Czynniki uwzględniane przy obliczaniu wytrzymałości dachu na potrzeby instalacji fotowoltaicznej:

• Ciężar konstrukcji dachu
• Wpływ wiatru od strony nawietrznej i zawietrznej
• Obciążenie powodowane przez pokrywę śnieżną
• Obciążenie powodowane przez samą instalację fotowoltaiczną
• Obciążenie powodowane oddziaływaniem wiatru i śniegu na przez instalację fotowoltaiczną

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, nie popękaną 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 poruszanie 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. 

Wielospadowe dachy zwykle trudno wykorzystać na potrzeby instalacji PV fot. Zeneris Projekty

Instalacja PV na dachu jednospadowym, duwspadowym i czterospadowym

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 ograniczona ilośc miejsca do zagospodarowania. Problemem w przypadku dachów innych niż płaskie często jest też ustawienie względem stron świata i nieoptymalny kąt padania promieni słonecznych.

Dach dwuspadowy

Zalety dachu dwuspadowego: Nie wymaga dodatkowej konstrukcji zmieniającej kont nachylenia paneli do słońca

Wady dachu dwuspadowego: Trudniejszy dostęp do instalacji niż dach płaski, wybór tylko spośród dwóch płaszczyzn nasłonecznienia, zwykle nieoptymalny kont nachylenia do słońca

Dach czterospadowy kopertowy

Zalety dachu czterospadowego kopertowego: Nie wymaga dodatkowej konstrukcji zmieniającej kont nachylenia paneli do słońca

Wady dachu czterospadowego kopertowego: Trudniejszy dostęp do instalacji niż dach płaski, relatywnie mała powierzchnia do wykorzystania, nieoptymalny kont nachylenia do słońca

Dach jednospadowy

Zalety dachu jednospadowego: Łatwy dostęp do instalacji, duża powierzchnia do wykorzystania, możliwość wyboru kierunku ustawienia i kąta nachylenia paneli

Wady dachu jednospadowego: Wymaga konstrukcji wsporczej, co zwiększa koszt i obciążenie dachu

Marek Rzewuski

Fot. Zeneris Projekty/archiwum redakcji