Natürliche Belüftung und Temperatureinfluss auf Solardächer

Eine Verringerung des Energiebedarfs von Gebäuden führt zu erheblich weniger zugeführter Energie und damit zu minimierten Treibhausgasemissionen. Fragen der Wärmeerzeugung im Zusammenhang mit BIPV-Systemen, sowie deren Entwurf und Umsetzung, stellen grundlegende Probleme dar, die eine systematische Entschärfung und Entwicklung erfordern. Wenn die Oberflächentemperatur Ihrer Solarmodule zu hoch wird, kann die Effizienz der Solarmodule etwas nachlassen. Untersuchen wir also die Auswirkungen der Temperatur auf Solardächer.

Thermische Grundlagen der PV

Während des Betriebs absorbieren die PV-Module die einfallende Sonnenstrahlung, um Strom zu erzeugen. Nur 15 bis 20 % der Sonneneinstrahlung werden dabei in Strom umgewandelt. Die übrigen ca. 80 % der einfallenden Sonneneinstrahlung werden vom PV-Modul absorbiert und über Wärmestrahlung sowie -konvektion an nahegelegene Oberflächen abgegeben. Dies stellt eine Wärmelast dar, die vom PV-Modul abgeführt werden muss, um dessen Leistung zu erhöhen und die Kühllast zu verringern. Ein BIPV-Modul wird immer in der Nähe einer Oberfläche montiert werden müssen, was zu einem Temperaturanstieg führt, da die Luftströmung um das Modul eingeschränkt ist und der Wärmeverlust durch Abstrahlung aufgrund von warmen Oberflächen in der Umgebung verringert wird. Dies führt im Wesentlichen zu drei negativen Auswirkungen:

1. Die Sonneneinstrahlung erhöht die Temperatur des Moduls und verringert so dessen Wirkungsgrad.

2. Ein Teil der Temperaturerhöhung durch Sonneneinstrahlung wird durch natürliche Konvektion und Abstrahlung auf das Dach und den Dachboden des Gebäudes übertragen.

3. Schlecht konzipierte und belüftete BIPV-Systeme können zu einem Brandrisiko werden.

Eine Überhitzung der PV-Module und die Übertragung dieser Wärme auf das Gebäude kann ungewollt die Kühllast erhöhen und den Stromverbrauch der Kühlgeräte steigern. Daher ist es wichtig, Vorsichtsmaßnahmen zu treffen, um eine unnötige Überhitzung der Module zu vermeiden.

Faktoren, die BIPV-Systeme beeinflussen

Baumaterialien und Hauskonstruktionen sind von Land zu Land unterschiedlich, aber die Photovoltaik-Technologie ist international und überall fast identisch. PV-Module haben einen begrenzten Gesamtwirkungsgrad und Faktoren, die BIPV-Systeme beeinflussen, sind Sonneneinstrahlung, Größe der PV-Module, Feuchtigkeit, Design, Platzierung, Luftspalte, Windgeschwindigkeit und Dachbelüftungsstrategie. In heißen und feuchten Klimazonen kommt es bei PV-Modulen zu Veränderungen des Feuchtigkeitsgehalts, was sich schließlich negativ auf die Leistung der Module auswirkt. Sollte Feuchtigkeit in das Polymer eindringen und die Solarzelle erreichen, werden die Klebeverbindungen an den Grenzflächen geschwächt, was zu Delaminierung und einer erhöhten Anzahl von frei zugänglichen Stellen, Verlust der Passivierung und Korrosion der Lötstellen führt. BIPV sollte vor einer Integration in die Gebäudeumhüllung die technischen und wirtschaftlichen Anforderungen sowie ästhetische Aspekte erfüllen, um die notwendigen funktionalen Anforderungen zu erfüllen.

Natürliche Belüftung von Solarmodulen

In den Sommermonaten kann die Zelltemperatur bis zu 70 °C erreichen, was zu einer Verringerung des Umwandlungswirkungsgrads um ca. 22,5 % gegenüber den Standardtestbedingungen führt. Eine Methode zur Minderung der solaren Strahlungsbelastung ist die gezielte natürliche Belüftung unterhalb der PV-Anlage. Die Ausstattung des Moduls mit einem Luftspalt, durch den Luft hinter das Modul strömen kann, senkt die Temperatur und erhöht die Leistung der BIPV. Die Wärme wird durch Konvektion auf die Luft übertragen und durch den Luftstrom abtransportiert. Der Auftrieb (Wärme) zusammen mit dem windbedingten Druckunterschied zwischen der Ober- und Unterseite des Luftspalts bewegen die Luft. Je höher die Durchflussrate im Luftspalt, desto geringer die Zellentemperatur. Das macht Sinn, oder? Die Luftspalte sollten so gestaltet sein, dass der Luftstrom maximiert wird und gleichzeitig ein gleichmäßig verteilter sowie stabiler Luftstrom erhalten bleibt. Ein ungleichmäßig verteilter Luftstrom kann zum Auftreten von „Hot Spots“ führen. Außerdem kann eine Instabilität der Strömung zu einer teilweisen Strömungsumkehr führen. Ist der Luftspalt klein, bleibt die Temperatur aufgrund des Strömungswiderstands der Luft im Spalt hoch. Mit zunehmender Dicke des Lufthohlraums sinkt die Temperatur. Studien haben ergeben, dass ein Luftspalt von 10-12,5 cm optimal ist, um eine möglichst niedrige Zellentemperatur zu erreichen. Mit zunehmender Windgeschwindigkeit sinkt die durchschnittliche Zellentemperatur, und bei einer Windgeschwindigkeit von mehr als 1 m/s ist ein deutlicher Abfall zu verzeichnen.

Der Ansatz von Solarstone

Bei der natürlichen Belüftung kommt es auf das Systemdesign und den Luftspalt an. Solarstone rät Bauherren grundsätzlich dazu, eine wasserdichte, atmungsaktive Unterbahn zu verlegen, welche die gesamte Feuchtigkeit von der Gebäudestruktur wegleitet. Es sollte eine qualitativ hochwertige Unterbahn (gemäß der harmonisierten europäischen Norm BS EN 13859-1:2014) verwendet werden, die eine hohe Widerstandsfähigkeit und Starrheit gegen Windstöße aufweist. Für eine bessere Belüftung empfiehlt Solarstone die Verwendung der folgenden Lattenspezifikationen.

• Belüftungslattung: 45 … 53 x 45 … 53 mm

• Konterlattung: 45 … 53 x 95 … 103 mm

Nach der Befestigung der Starterklammern sollte ein Lüftungsprofil angebracht werden, das als Trauffüller und Vogelschutzkamm dient. Dieses Profil verhindert das Eindringen von Vögeln und Ungeziefer in den Lattenhohlraum und ermöglicht eine Luftzirkulation im Unterlagen- und Lattenhohlraum.

Quellen:

1. Simulationsanalyse eines belüfteten, gebäudeintegrierten Photovoltaik-Luftspaltkanalsystems zur natürlichen Belüftung eines Gebäudes

2. Modernste Technologien für gebäudeintegrierte Photovoltaikanlagen

3. Einfluss von Temperatur und Luftfeuchtigkeit auf die Degradationsrate von multikristallinen Silizium-Photovoltaikmodulen

4. Kühlung von gebäudeintegrierter Photovoltaik durch Ventilationsluft

5. Eine Untersuchung der Belüftung einer gebäudeintegrierten Photovoltaikanlage mit Hilfe numerischer Modellierung