Dachy biosolarne – połączenie dachu zielonego i ogniw fotowoltaicznych

Obserwujemy bardzo dynamiczny rozwój rynku fotowoltaicznego. Miasta w Polsce opracowują mapy potencjału solarnego dachów na swoim terenie z uwagi na potrzebę większego wykorzystania OZE i redukcji smogu. Inwestycje w instalacje fotowoltaiczne są dofinansowane. W grudniu 2022 r. MRiT wprowadziło kolejne rozwiązanie zachęcające do stosowania odnawialnych źródeł energii, w tym fotowoltaiki w Polsce. To prosument lokatorski dla spółdzielni i wspólnot mieszkaniowych. Będzie można odzyskać 100% wartości energii przekazanej do systemu energetycznego i otrzymać 50% dofinansowania na instalację – grant na OZE.

Energia słoneczna jest traktowana jako odnawialne źródło energii, w przeciwieństwie do paliw kopalnych, które skończą się za kilkadziesiąt lat. Jest to również czyste źródło energii, ponieważ produkcja energii dzięki wykorzystaniu paneli fotowoltaicznych pozwala zredukować emisję CO2 i zanieczyszczeń do atmosfery. Jest to więc zrównoważony sposób na pozyskiwanie energii, co oznacza możliwość zaspokojenia potrzeb współczesnych pokoleń bez negatywnego wpływu na zmiany klimatu.

Powszechnie znane są też korzyści ekologiczne, wynikające ze stosowania dachów i tarasów zielonych. Należą do nich:

• retencjonowanie wody opadowej i opóźnianie jej spływu do kanalizacji (odciążanie kanalizacji w czasie intensywnych opadów),
• niwelowanie negatywnych skutków miejskiej wyspy ciepła,
• poprawa bioróżnorodności w miastach (dodatkowe miejsca dla roślin, ptaków, owadów),
• ograniczenie energochłonności budynków (dachy zielone stanowią izolację termiczną budynków, co powoduje, że poprawiają ich efektywność energetyczną i zmniejszają zapotrzebowanie na ogrzewanie zimą i chłodzenie latem),
• oczyszczanie powietrza,
• produkcja tlenu,
• redukcja hałasu.

Dachy zielone są uznawane za rozwiązanie, które jest pomocne w procesach adaptacji do zmian klimatu w miastach i ochrony klimatu przed dalszymi zmianami (mitygacja).

Warto podkreślić, że jeśli inwestor chce wykorzystać dach i zapewnić dodatkową funkcję na tej powierzchni w postaci ogniw fotowoltaicznych czy dachu zielonego, to nie musi wybierać pomiędzy tymi rozwiązaniami. Zazielenianie dachów oraz instalacje PV mogą być łączone, zwłaszcza na dachach płaskich. Co więcej, połączenie paneli fotowoltaicznych i dachu zielonego poprawia efektywność samej instalacji solarnej.

Należy przy tym rozróżnić dach biosolarny i dach zielony solarny. Dach zielony biosolarny to zielony dach zintegrowany z systemem do montażu paneli fotowoltaicznych, gdzie dach zielony pełni rolę balastu i bez niego konstrukcja nośna pod PV nie może poprawnie funkcjonować. Natomiast dach zielony solarny to każdy zielony dach, na którym dodatkowo zostały umieszczone panele PV, przy czym dach zielony nie stanowi balastu ani nie jest zintegrowany z systemem nośnym paneli fotowoltaicznych. W tym artykule koncentrujemy się na dachach biosolarnych.

W odpowiedzi na potrzebę prowadzenia intensywnych działań ochrony klimatu i adaptacji do zmian, które już zaszły w środowisku, zostały opracowane rozwiązania techniczne, które pozwalają na zastosowanie ogniw fotowoltaicznych na dachach zielonych. Stosując takie technologie, można uzyskać wymienione powyżej korzyści wynikające z zazieleniania dachów oraz stosowania paneli fotowoltaicznych (jako odnawialnego źródła energii) oraz dodatkowo zapewnić efekt synergii wynikający z ich połączenia.

Połączenie dachu zielonego i paneli fotowoltaicznych jest korzystne ze względu na efekt synergii przy wytwarzaniu prądu. Stosunkowo niska temperatura powierzchni zazielenionej (w porównaniu do temperatury panującej na dachach tradycyjnych) prowadzi do mniejszego nagrzewania modułów fotowoltaicznych, co poprawia ich sprawność i efektywność działania.

Dachy zielone nie nagrzewają się w takim stopniu jak tradycyjne. Badania prowadzone w Nowym Jorku (Rosenzweig i in., 2006) wykazały, że w upalne letnie popołudnie temperatura powierzchni dachu standardowego może być nawet o 40°C wyższa od temperatury powierzchni dachu zielonego. Średnio (pomiary prowadzone w lipcu 2003 r.) temperatura powierzchni dachu standardowego była wyższa o 19°C od temperatury powierzchni dachu zielonego w ciągu dnia i niższa o 8°C nocą.

Zastosowanie paneli fotowoltaicznych na dachu obsadzonym roślinnością podnosi efektywność działania instalacji solarnych. Jest to korzystne ze względu na efekt synergii przy wytwarzaniu prądu – stosunkowo niska temperatura powierzchni zazielenionej (w porównaniu z dachami tradycyjnymi) prowadzi do mniejszego nagrzewania się modułów fotowoltaicznych, co poprawia ich sprawność. Rośliny na zielonym dachu pochłaniają zanieczyszczenia, dzięki czemu panele PV nie są tak bardzo zanieczyszczone jak na tradycyjnym dachu.

Potwierdzają to badania dra Petera Irgi z University of Technology Sydney w Australii, który porównywał wydajność systemów fotowoltaicznych na dwóch dachach na biurowcach zlokalizowanych obok siebie w centrum Sydney: instalację PV na tradycyjnym dachu oraz połączenie dachu zielonego z fotowoltaiką. Wyniki badań potwierdziły liczne zalety dachów, gdzie połączono fotowoltaikę i dach zielony:

• w ciągu 8 miesięcy instalacja fotowoltaiczna z zielonym dachem wykazała o 3,6% większą wydajność niż instalacja bez zielonego dachu,
• 20°C mniej – tyle miał zielony dach w porównaniu z dachem budynku bez zieleni,
• podczas całego eksperymentu zielony dach pochłonął prawie 9 ton gazów cieplarnianych,
• poprawa bioróżnorodności – na dachu zamieszkały licznie owady oraz zaczęły pojawiać się ptaki,
• zielony dach znacznie zmniejszył odpływ wody deszczowej,
• 69 MWh energii elektrycznej wyprodukowano na zielonym dachu w porównaniu z 59,5 MWh na drugim dachu (bez roślin) [1].

Jeśli chodzi o badania prowadzone na terenie Europy, to możemy przywołać badania prowadzone w Niemczech, gdzie stwierdzono, że wydajność energetyczna systemu fotowoltaicznego na ekstensywnym zielonym dachu obsadzonym rozchodnikami w Berlinie wykazała wzrost o około 6% w porównaniu do dachu bitumicznego [2].

Ważne jest również to, że na dachach zielonych nie rozprzestrzenia się ogień. Więc jeśli panele fotowoltaiczne zamontujemy na dachu zielonym, to dzięki roślinom będziemy mieć mniejsze ryzyko pożaru.

Okiem praktyka

Jeśli chodzi o technikę montażu instalacji fotowoltaicznych na dachach, to mogą one być mocowane z naruszeniem warstw izolacji wodochronnej lub bez konieczności przechodzenia przez powłokę tej izolacji. W przypadku dachów biosolarnych moduły fotowoltaiczne montowane są bez ingerencji w powłokę dachową i nie są kotwione do konstrukcji stropu, a ciężar warstw dachu zielonego pełni rolę kotwiącą, balastującą i stabilizującą dla instalacji fotowoltaicznej. Należy przy tym przestrzegać wymogów statycznych w odniesieniu do obciążenia wiatrem, a także obciążenia konstrukcji budynku.

Instalacje fotowoltaiczne i dach zielony wymagają konserwacji i pielęgnacji, dlatego należy zastosować ścieżki serwisowe i elementy zabezpieczenia przed upadkiem z wysokości. Należy także zapewnić wystarczający odstęp od krawędzi dachu i odstęp rzędów modułów od siebie. Kable i inne elementy należące do instalacji solarnej należy montować tak, aby nie utrudniały konserwacji i pielęgnacji dachu zielonego.

Montaż instalacji solarnej na dachu zielonym powoduje zróżnicowanie naświetlenia roślin i wilgotności podłoża, co prowadzi do występowania różnorodnych warunków siedliskowych. Może to też przyczyniać się do zwiększenia różnorodności występujących na dachach gatunków flory i fauny.

Aby uzyskać odpowiednią ilość światła dla roślin, także światła rozproszonego, należy dopasować odstęp rzędów modułów między sobą, głębokość modułów lub transparencję rzędów modułów do roślinności.

Zastosowanie paneli fotowoltaicznych na dachu zielonym prowadzi do zróżnicowania warunków wilgotnościowych, jakie mają rośliny. Instalacje fotowoltaiczne wytwarzają z jednej strony cień opadowy, a z drugiej strony na krawędzi dolnej modułów woda opadowa spływa, co powoduje, że rośliny znajdujące się pod spodem mają bardziej wilgotną lokalizację. Należy to wziąć pod uwagę, projektując dach i planując prace pielęgnacyjne.

Jest kilka innych ważnych kwestii, na które warto zwrócić uwagę, projektując dach zielony z panelami fotowoltaicznymi. Kluczowa jest bliska współpraca pomiędzy inwestorem, architektem a firmą wykonawczą. Od dostawcy technologii dachów biosolarnych możemy oczekiwać skonsultowania projektu, zwłaszcza układu rozmieszczenia na dachu zielonym ogniw fotowoltaicznych w takich odstępach, aby zapewnić roślinom odpowiednie warunki.

Należy zachować wystarczający odstęp dolnej krawędzi modułów od podłoża w zależności od wysokości roślinności. Odstęp minimalny przy zazielenieniu w uprawie ekstensywnej powinien wynosić 20 cm i może być większy, w zależności od wysokości przewidzianych w projekcie roślin.

Ważna jest także antykorzenność izolacji wodochronnej oraz obciążenie konstrukcyjne budynków.

Zastosowanie ogniw fotowoltaicznych na dachu zielonym powinno się przełożyć na obniżenie kosztów konserwacji paneli fotowoltaicznych, ponieważ rośliny na dachu będą pochłaniać zanieczyszczenia znajdujące się w powietrzu, co oznacza mniejszą ilość pyłu i zanieczyszczeń osiadających na panelach fotowoltaicznych.

Przykładowe realizacje

Na całym świecie istnieje wiele dachów biosolarnych, które łączą dachy zielone z produkcją energii słonecznej. Jako przykłady z Londynu można podać dach Olympic Park Media Center lub Standard Chartered Bank. W Szwajcarii jest np. dach biosolarny na Messe Hall w Bazylei. W Niemczech wiele dachów zielonych połączonych z panelami słonecznymi znajduje się we Fryburgu i innych częściach kraju. Dachy biosolarne występują również w Holandii, Francji i Austrii.

W Polsce połączenie instalacji fotowoltaicznych z dachami zielonymi można spotkać na kilku inwestycjach. Tego typu budynek powstał np. w 2020 r. przy obwodnicy Krakowa, w sąsiedztwie Bielańsko-Tynieckiego Parku Krajobrazowego. Jest to nowa siedziba austriackiej firmy Schachermayer. Hala magazynowa wraz z budynkiem biurowym mają 2600 m2 powierzchni użytkowej.

Zwrot z inwestycji

Możliwość połączenia dachów zielonych i paneli fotowoltaicznych oraz efektywność takiego rozwiązania była przedmiotem badań na Uniwersytecie Illinois w Urbanie i Champaign w Stanach Zjednoczonych. Dokonano tam analizy zwrotu z inwestycji, biorąc pod uwagę trzy opcje:

• sam zielony dach,
• same panele fotowoltaiczne zamontowane na standardowym dachu,
• połączenie dachu zielonego z panelami fotowoltaicznymi.

Wyniki tych badań pozwoliły ustalić, że okres zwrotu dla samych paneli fotowoltaicznych wyniósł 13 lat. Ze względu na większą efektywność pracy paneli fotowoltaicznych na dachu zielonym, inwestycja polegająca na połączeniu dachu zielonego z PV, pomimo większych kosztów początkowych, na etapie instalacji (większe koszty nakładu pracy i użytych materiałów), zwraca się w tym samym czasie, czyli okresie 13 lat. Oczywiście badania te wykonano, biorąc pod uwagę amerykańskie uwarunkowania prawne, klimatyczne i realia cenowe, z czasu przed powstaniem raportu (końcowy raport został opracowany w 2017 r.) [3].

Opłacalność w Polsce

Analizując opłacalność finansową realizacji dachów zielonych w uwarunkowaniach polskich, powinno się wziąć pod uwagę m.in.: oszczędności na ogrzewaniu zimą i klimatyzacji latem wynikające z tego, że dachy zielone stanowią izolację termiczną budynku, korzyści wynikające z zagospodarowania na dachu zielonym wody opadowej, ewentualne dotacje związane z zielonymi dachami, np. ogólnopolski program „Moja Woda“ oraz podniesienie wartości nieruchomości.

Dla inwestorów ma również duże znaczenie to, że 50% powierzchni dachów zielonych można zaliczyć do terenów biologicznie czynnych. Uzyskanie odpowiednich wskaźników udziału terenu biologicznie czynnego w intensywnej zabudowie w miastach, gdzie grunty są bardzo drogie, to duże wyzwanie. Inwestorzy poza powierzchnią zabudowy muszą zapewnić drogi dojazdowe i miejsca parkingowe. Dlatego możliwość zaliczenia 50% powierzchni dachów zielonych do wskaźnika terenu biologicznie czynnego to duża korzyść.

Zgodnie z aktualnymi polskimi przepisami [4], przez teren biologicznie czynny należy rozumieć teren o nawierzchni urządzonej w sposób zapewniający naturalną wegetację roślin i retencję wód opadowych, a także 50% powierzchni tarasów i stropodachów z taką nawierzchnią oraz innych powierzchni, zapewniających naturalną wegetację roślin, o powierzchni nie mniejszej niż 10 m2 oraz wodę powierzchniową na tym terenie.

Podobnie powinniśmy przeanalizować korzyści finansowe wynikające z zastosowania paneli fotowoltaicznych oraz efekt synergii, czyli fakt, że zastosowanie paneli na dachu zielonym zwiększa efektywność pracy samej instalacji solarnej.

Efektywna pod względem ekonomicznym inwestycja, walka ze skutkami zmian klimatu, bioróżnorodność, transformacja energetyczna i poprawa efektywności energetycznej budynku – takie cele można osiągnąć, stosując połączenie paneli fotowoltaicznych z dachami zielonymi.  

Piotr Wolański jest praktykiem z 16-letnim doświadczeniem, właścicielem firmy APK Dachy Zielone, członkiem stowarzyszeń branżowych. Katarzyna Wolańska jest publicystką, redaktor prowadząca ZielonaInfrastruktura.pl oraz członkinią Zarządu Polskiego Stowarzyszenia „Dachy Zielone”.

Literatura

1. Green Roof & Solar Array – Comparative Research Project Final Report July 2021.
2. M. Köhler, W. Wiartalla, R. Feige, „Interaction between PV-Systems and extensive green roofs. Session 3.3: Energy and Thermal Performance at the Fifth Annual Greening Rooftops for Sustainable Communities Conference“, Minneapolis 2007.
3. K. Kessling, A. Cohen, J. Jasso, „Feasibility of Combining Solar Panels and Green Roofs on the Activities and Recreation Center”, 2017.
4. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury i Budownictwa, z dnia 14 listopada 2017 r., zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU z 2017 r., poz. 2285).
5. „Wytyczne dla dachów zielonych. Wytyczne do projektowania, wykonywania i utrzymywania dachów zielonych”, Stowarzyszenie Wykonawców Dachów Płaskich i Fasad DAFA, Opole 2021.

Artykuł ukazał się w miesięczniku „Izolacje” nr 2/2023