Фасадни соларни инсталации

В наши дни т. нар. соларна архитектура, базирана на концепцията за внедряване на активни и пасивни комбинации от фотоволтаични, оптични, електронни, термични средства и иновативни материали във външните сградни елементи с цел използването на слънцегреенето като възобновяем източник на чиста енергия, изживява истински бум. Тази тенденция е следствие на множеството стимули и регулации както на ниво Европейски съюз, така и в глобален план, за подобряване на енергийните характеристики на сградния фонд и намаляване на зависимостта от конвенционалните горива. Сходни принципи са залегнали и в друго архитектурно направление - биоклиматичното проектиране и конструиране, при което се използват интелигентни материали и технологии с цел оползотворяване на естествените явления и ресурсите на околната среда за изграждане на устойчиви домове и сгради с висока ефективност и минимално използване на енергия от изкуствени източници.

Така в сектора се появяват все повече ниско-, нулевоенергийни и пасивни конструкции, способни сами да покриват енергийните си нужди благодарение на умни инженерни решения. Такива са фасадните соларни системи, които осигуряват множество предимства по посока повишаване на енергийната ефективност. В допълнение към възможности за гъвкаво генериране на енергия за собственото потребление на сградата, те намаляват нивата на шум от външната среда, допълнително оптимизират изолацията и топлинния профил и позволяват креативно изпълнение на остъкляването. Специални тънкослойни фотоволтаични модули и цялостни соларни инсталации могат да бъдат интегрирани във фасадите както на нови, така и на съществуващи сгради.

Видове, естетически и технологични специфики

Фасадите представляват външните лицеви части на сградите, които освен естетични функции изпълняват и множество допълнителни задачи. Те трябва да бъдат водо-, а в редица случаи и пожароустойчиви, както и термично и акустично да изолират вътрешността на конструкцията. Съвременните концепции за соларни фасадни системи предполагат технологични решения, ангажирани с производството на енергия за отопление, вентилация, климатизация, осветление и захранване на електрическо и електромеханично оборудване, които в допълнение осигуряват засенчване и/или пропускане на дневна светлина, топлинна и шумоизолация. Те са подходящи за облицовка на фасадни елементи, стени, капандури, балкони и балюстради, изпълнение на фасадно остъкляване, изграждане на вентилируеми соларни фасади, както и на окачени системи (популярни още като "втори" фасади, "second skin" или "double skin" системи).

Решенията на съвременния пазар позволяват почти безкрайно персонализиране на сградния облик благодарение на изобилието от фотоволтаични фасадни елементи във всякакви форми, размери и цветове, тегло и плътност, степен на прозрачност, организация на клетките, ефективност, монтажни опции и електрически системи. Предлагат се и изцяло затъмнени (черни) модули за приложения, в които е необходимо инсталацията да е практически невидима и да слива напълно с останалата част на сградната конструкция или да осигурява пълно затъмняване на вътрешността. Налични са и теракотени елементи, отговарящи на строгите естетически изисквания на различни архитектурни паметници и сгради, които са част от културно-историческото наследство на модерните градове. Що се отнася до основната класификация на соларните фасади, най-общо ги подразделяме на прозрачни, полупрозрачни и непрозрачни, както и на активни и пасивни.

Непрозрачни соларни фасади

Категорията на непрозрачните фотоволтаични фасади обхваща: сградно-интегрирани термосоларни системи (building-integrated solar thermal sytems, BIST), сградно-интегрирани фотоволтаични системи (building integrated photovoltaic systems, BIPV) и сградно-интегрирани термофотоволтаични системи (building-integrated photovoltaic thermal systems, BIPV/T). Макар на първо четене тези технологии да звучат приблизително еднакво, има някои съществени разлики в изпълнението им, на които ще обърнем внимание по-долу.

Непрозрачните соларни фасади абсорбират и отразяват падащата слънчева радиация, но не могат да прехвърлят директно слънчевата светлина и топлина в сградата. Когато такива системи преобразуват енергията в електричество за незабавна употреба или за захранване на електрическо или електромеханично оборудване (помпи, вентилатори, клапани, контролери и др.), те попадат в категорията активни фотоволтаични фасади.

BIST решенията най-често се състоят в монтажа на соларни колектори към фасадните елементи на сградите, за да изпълняват едновременно функцията на облицовка и да генерират енергия за ОВК, осветление и др. Особеност на BIPV системите е, че фотоволтаичните клетки се интегрират в обвивката на сградата като част от конструкцията и следователно могат да заменят конвенционалните строителни елементи и материали още в процеса на изграждане. В допълнение, въздушният поток зад слънчевите клетки понижава температурата им, подобрявайки тяхната ефективност и дълговечност. BIPV/T технологиите комбинират функционалност на горните два типа непрозрачни соларни фасади и целят оптимално използване на повърхностите за събиране на слънчева енергия както за максимално ефективно електрическо преобразуване, така и за нагряване на въздух или вода.

Пасивните непрозрачни фотоволтаични фасади най-често се изпълняват на южни стени или като повърхностни облицовки, а падащата слънчева енергия се използва директно за отопляване или вентилация на сградата, без да се преобразува в електричество за захранване на оборудване. Такива са т. нар. термоакумулиращи стени, които съчетават функциите на слънчев колектор и система за съхранение на енергия и могат да намалят разходите за отопление с до 50%. Топлината се пренася от стената към въздуха в помещението и към въздушната маса между стъклопакета и стената чрез излъчване и естествена конвекция. Намаляването на колебанията в температурата на въздуха в помещенията е една от основните задачи на тези системи.

Друг тип пасивни непрозрачни инсталации са т. нар. соларни комини, които се състоят от една топлопоглъщаща остъклена повърхност, изградена върху стената, която гледа към слънцето. Когато слънчевата енергия загрее комина и въздуха в него, това създава възходящо течение на въздушната маса. Естествената аспирация, създадена в основата на комина, може да се използва за вентилация на сградата.

Сградно-интегрираните соларни системи притежават потенциал да генерират големи количества енергия, понякога дори надвишаващи собствените потребности на сградите. В проектирането им се използва международният стандарт БДС EN ISO 13790

"Енергийни характеристики на сгради. Изчисляване на потребната енергия за отопляване и охлаждане на пространство". Сред технологичните иновации в сегмента са нови типове покрития, които значително увеличават ефективността на фотоволтаичните фасадни елементи.

Прозрачни и полупрозрачни фасади

Прозрачните и полупрозрачни слънчеви фасади не само абсорбират и отразяват падащата върху повърхността им слънчева радиация, но също така могат да прехвърлят директно светлина в сградата. Подобно на непрозрачните системи, когато такива инсталации преобразуват част от падащата слънчева светлина в електричество за непосредствена употреба и за захранване на електрическо оборудване, те се наричат активни.

Към решенията в тази категория спадат механично вентилираните прозрачни фасади (MVF), които използват вентилационна система с механично задвижване за подаване, изтласкване или рециркулация на въздух през канал, разположен между две прозрачни или полупрозрачни повърхности в елементите на сградната обвивка. Въздухът отнема топлина от кухината или отдава такава в зависимост от температурната разлика, като намалява разходите за отопление и/или охлаждане според сезона и географската зона.

Активни са и т. нар. полупрозрачни сградно-интегрирани фотоволтаични системи (STBIPV), които се вграждат във фасадната облицовка, за да генерират електричество посредством соларни модули и да пропускат дневна светлина в интериорните пространства. Тук също е налице термофотоволтаична разновидност (STBIPV/T), която комбинира функциите за генериране на топлинна енергия и електричество с възможности за внасяне на естествена светлина в помещенията.

Пасивните прозрачни и полупрозрачни соларни фасади, подобно на непрозрачните си аналози, не преобразуват слънчевата енергия в електричество за захранване на оборудване. Те обикновено се изпълняват под формата на остъкляване със специално покритие, което улеснява трансформирането на попадащата върху тях слънчева светлина в термална енергия за отопляване или вентилиране на сградата. В тази категория попадат прозрачните соларни фасади с естествена вентилация (NVTF), които функционират на сходен принцип с механично вентилираните системи, но разчитат на естественото налягане и движение на въздушните маси, вятъра и натуралната конвекция.