CC BY
0СТРОИТЕЛЬСТВО И АРХИТЕКТУРА INSTRUCTION А^ АRCHITECTURE
УДК 621.31, 629.78, 624.04, 621.31 doi: 10.52470/2619046Х_2023_2_7
ОБСЛЕДОВАНИЕ И УСИЛЕНИЕ НЕСУЩЕЙ КОНСТРУКЦИИ КРОВЛИ ПРИ УСТАНОВКЕ СОЛНЕЧНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
А.Д. Гильмияров, Е.М. Дербасова
Аннотация. В последние годы солнечные электростанции получили широкое распространение благодаря своей экологической и экономической эффективности. При установке таких станций на крышах зданий встает вопрос безопасности и долговечности несущей конструкции кровли. Обследование и усиление этой конструкции являются неотъемлемыми этапами процесса установки солнечной электростанции. В данной статье рассматриваются основные аспекты обследования кровли, включая оценку ее состояния, определение необходимых мер по усилению, выбор подходящих материалов и методов усиления, предложенные разработанные авторами специальные усиленные крепления. Выполнен расчет предельной нагрузки на кровлю с учетом солнечной электростанции. Надлежащая оценка и усиление несущей конструкции кровли обеспечивают не только безопасность установки солнечной электростанции, но и ее надежную работу на протяжении всего срока эксплуатации.
Ключевые слова: солнечная электростанция, обследование, усиление, несущая конструкция кровли, нагрузка, безопасность, анализ.
INSPECTION AND STRENGTHENING
OF THE SUPPORTING STRUCTURE OF THE ROOF
DURING THE INSTALLATION OF A SOLAR POWER PLANT
A.D. Gilmiyarov, E.M. Derbasova
Abstract. In recent years, solar power plants have become widespread due to their environmental and economic efficiency. When installing such stations on the roofs of buildings, the issue of safety and durability of the supporting structure of the roof arises. Inspection and strengthening of this structure are integral steps in the process of installing a solar power plant. This article discusses the main aspects of roof inspection, including assessing its condition, determining the necessary reinforcement measures, choosing suitable materials and reinforcement methods, and special reinforced fasteners developed by the authors. The calculation of the maximum load on the roof was made, taking into account the solar power plant. Proper assessment and strengthening of the supporting structure of the roof ensures not only the safety of the installation of a solar power plant, but also its reliable operation throughout its entire life.
Keywords: solar power plant, inspection, reinforcement, roof support structure, load, safety, analysis.
Солнечные электростанции, являющиеся одним из наиболее экологически чистых и эффективных источников энергии, становятся все более популярными в мире. Они предо-
ставляют возможность получать электроэнергию из солнечного излучения, что способствует сокращению выбросов парниковых газов и снижению зависимости от традиционных ископаемых источников энергии [4-5].
Установка солнечной электростанции на крыше здания является одним из наиболее распространенных способов использования солнечной энергии. Однако, при интеграции солнечных панелей на крышу возникает важный вопрос - безопасность и долговечность несущей конструкции кровли. Учитывая влияние дополнительной нагрузки и особенности установки, необходимо провести тщательное обследование и, при необходимости, усилить конструкцию, чтобы обеспечить безопасность и надежность системы в течение всего срока эксплуатации.
Цель данной статьи заключается в рассмотрении важности обследования и усиления несущей конструкции кровли при установке солнечной электростанции. Представлены характеристики устанавливаемого на кровлю оборудования, произведена оценка состояния конструкции для выявления потенциальных проблемных зон и дефектов. Рассмотрен выбор подходящих материалов и методов усиления.
При установке солнечной электростанции на крышу здания, несущая конструкция кровли играет решающую роль в обеспечении безопасности и долговечности всей системы. Обследование и усиление этой конструкции перед установкой солнечной электростанции являются неотъемлемыми шагами, которые не только гарантируют безопасность эксплуатации, но и оптимизируют ее эффективность.
Обследование позволяет оценить состояние несущей конструкции кровли и выявить возможные дефекты или повреждения, которые могут оказать негативное влияние на установку и работу солнечной электростанции. Это включает проверку прочности, устойчивости к нагрузкам, состояния креплений и других элементов конструкции. Усиление конструкции кровли позволяет обеспечить ее способность справиться с дополнительной нагрузкой, вызванной установкой солнечных панелей и сопутствующего оборудования.
Обследование состояния кровельного покрытия производилось для здания АБК механосборочного цеха, расположенного в городе Ростов-на-Дону с целью дальнейшей установки на кровле здания общей площадью 95,5 м2 фотоэлектрических солнечных модулей (СЭС) суммарной номинальной мощностью 20 кВт. СЭС предназначена для обеспечения сокращения расходов на снабжение электроэнергией предприятия. Реализация данного проекта позволит снизить затраты на энергоснабжения предприятия и повысить экологичность производимой им продукции.
Внешний вид кровельного покрытия представлен на рисунке 1.
Рисунок 1. Внешний вид кровельного покрытия здания АБК механосборочного цеха
Рисунок 2. Слои конструкции плоской кровли
Техническое обследование проводилось в соответствии с ГОСТ 31937-2011 «Здания и сооружения. Правила обследования и мониторинга технического состояния» [1], СП 13102-2003 «Правила обследования несущих строительных конструкций зданий и сооружений» [2], действующими строительными нормами и правилами с использованием приборов и оборудования, отвечающих требованиям действующих государственных стандартов. Для оценки прочности и стабильности несущей конструкции кровли использовался визуальный осмотр конструкции кровли для выявления видимых дефектов и повреждений, которые могут указывать на проблемы со стабильностью и прочностью. Производились измерения размеров, уровней и прогибов. Также был выполнен анализ материалов, используемых в конструкции, проверка их свойств, состояния, степени коррозии, возраста и других факторов, которые могут влиять на прочностные характеристики.
Кровля производственного здания плоская малоуклонная с мягким гидроизоляционным ковром из рулонных материалов. Водосток внутренний через водосточные воронки и трубы, проходящие внутри здания. Для сбора воды выполнена разуклонка при помощи уклона плит и слоя шлака разной толщины. Пирог конструкции плоской кровли включает слои, представленные на рисунке 2.
В ходе обследования дефекты и повреждения плит покрытия и кровли, влияющие на дальнейшую безопасную эксплуатацию здания выявлены не были. Техническое состояние признано, как работоспособное.
Описание системы солнечной электростанции
Устанавливаемая на кровлю солнечная электростанция состоит из солнечных панелей Longi LR5-72HPH 455М в количестве 44 штук со следующими техническими характеристиками (таблица 1). Тип солнечных панелей монокристаллические или гетероструктурные.
Фотоэлектрические батареи солнечной электростанции являются дополнительным и резервным источником электроснабжения.
Фотоэлектрическая система обеспечивает технологический процесс генерирования электрической энергии за счет преобразования энергии солнца. Функционально фотоэлектрическая система мощностью 20 кВт представляет собой две независимые группы мощностью 10 кВт каждая (по количеству инверторов).
Фотоэлектрические модули раскладываются на специальные опорные металлоконструкции, установленные под углом 12°относительно уровня крыши. Конструкции с модулями устанавливается на кровле без закрепления, устойчивость обеспечивается балластами весом 18 кг.
Таблица 1
Технические параметры солнечных панелей Longi LR5-72HPH 455M
Тип модуля Longi LR5-72HPH 455М
Максимальная мощность, Вт 455
Напряжение холостого хода, В 49,5
Ток короткого замыкания, А 11,66
Эффективность модуля, % 20,9
Вес, кг 24,3
Длина, мм 2094
Ширина, мм 1038
Класс защиты Класс II
Рабочая температура, °С -40 - +85
Для передачи энергия постоянного тока от фотоэлектрических панелей солнечным инверторам прокладываются специальные «солнечные» кабели PV-F 1x6 мм2. Кабель изготовлен из луженого медного многожильного проводника, покрыт переплетённой негорючей безгалогенной двухслойной изоляцией и оболочкой, стойкой к УФ излучению и атмосферным воздействиям. Инверторы на стороне переменного тока подключаются к шкафу ввода и распределения электроэнергии. Солнечные коллекторы размещены на левом крыле здания (рисунок 3).
Для размещения солнечных модулей авторами были разработаны специальные усиленные крепления, представленные на рисунке 4.
Для расчета нагрузок солнечной станции на кровлю необходимо учитывать вес солнечных панелей и их распределение на поверхности кровли. В данном случае на кровле будет размещено 44 панели Longi LR5-72HPH 455М с весом одной панели 24,3 кг. Расчет общего веса солнечных панелей:
Р = Wp • N = 24,3 • 44 = 1070,2 кг
где Wp - вес одной панели; N - количество панелей.
Расчет площади, занимаемой солнечными панелями:
S = Lp • Вр = 2094 мм • 1038 мм - 2,17 м2
где Lp - длина одной панели; Вр - ширина одной панели.
Рисунок 3. Размещение солнечных коллекторов на левом крыле здания
Рисунок 4. Металлоконструкции для размещения солнечных модулей
Площадь, занимаемая панелями: Sn = 2,17м2 • 44 = 95,48 м2
Произведем расчет дополнительной нагрузки на кровлю:
G = f = 107°,2КГ = 11 ,15 кг/м2 Sn 96 м2
Таким образом, дополнительная нагрузка от солнечной станции на кровлю составляет примерно 11,15 кг/м2. Эта информация может быть использована при проектировании и обследовании кровли для обеспечения ее достаточной прочности и стабильности для установки солнечной электростанции.
Рассчитаем действующую несущую способность кровли без учета солнечной электростанции:
Место установки Ростов-на-Дону Занимаемая площадь 95,6 м2 Общий вес 1,07 т Удельный вес станции 11,2 кг/м2 Общая мощность 20 кВт
Площадь плиты перекрытия составляет 8,91 м2
Предельно допустимая нагрузка: Gп = 8,91 • 0,8 = 7,128 т
С учетом собственного веса: G = 7,128 - 2,85 = 4,278 т
с.в 5 5 5
С учетом веса стяжки и утеплителя: G = 4,278 - 8,91 0,2 = 2,4 т
ут " ill
Рисунок 5. Монтаж солнечной электростанции на кровле производственного здания
Предельная нагрузка на м2:
О 2,4
G = --- =-= 0,269 т/м2 = 269 кг/м2
Sп 8,91 '
Предельная нагрузка с учетом снеговой нагрузки и коэффициента запаса: О = 269 - 140 • 1,2 = 101 кг/м2
з 5
Проверка по предельным нагрузкам кровли: 11,2 кг/м2 < 101 кг/м2
Из предоставленных вами данных следует, что предельная нагрузка на кровлю с учетом солнечной электростанции составляет 101 кг/м2, а удельный вес станции составляет 11,2 кг/ м2. Таким образом, удельный вес станции (11,2 кг/м2) меньше, чем предельная нагрузка на кровлю (101 кг/м2).
Это означает, что солнечная электростанция не превышает предельные нагрузки кровли и может быть безопасно установлена. В дальнейшем, для более точного расчета и оценки прочности и стабильности кровли, будет выполнен статический и динамический анализ кровли в программе LIRA-SAPR, смоделированы и рассчитаны нагрузки, включая дополнительные нагрузки от солнечных электростанций.
По итогам обследования, в рамках проекта был выполнен монтаж солнечных панелей и дополнительного оборудования для их функционирования в виде законченной солнечной электростанции на 20 кВт (рисунок 5).
Понимание значимости обследования и усиления конструкции кровли при установке солнечной электростанции имеет важное практическое значение для инженеров, архитекторов
и владельцев зданий. Правильное обследование и усиление несущей конструкции кровли не только гарантируют безопасность установки и эксплуатации солнечной электростанции, но и способствуют увеличению ее срока службы. Это также позволяет оптимизировать расположение и размещение солнечных панелей, обеспечивая максимальную эффективность генерации электроэнергии.
Библиографический список
1. ГОСТ 31937-2011 Здания и сооружения. Правила обследования и мониторинга технического состояния. М., 2014.
2. СП 13-102-2003 Правила обследования несущих строительных конструкций зданий и сооружений. М., 2004.
3. АгеенкоМ.В. Обзор мирового опыта энергосбережения в строительстве жилых зданий на примере гостиничного комплекса // Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Высокие технологии. Экология. 2015. № 1.
4. Современные проблемы энергетики и экологии: материалы конференции / под ред. Ю.А. Омель-чук. Севастополь, 2021.
5. Устойчивое развитие: условия Словакии и России / M. Bosak, Z. Hajduova, P. Andrejovsky [и др.]; под ред. М.В. Хайруллиной, M. Bosak. Новосибирск, 2017.
А.Д. Гильмияров
магистрант
Московский информационно-технологический университет - Московский архитектурно-строительный институт Е-mail: 29394772@s.masi.ru
Е.М. Дербасова
кандидат технических наук
доцент кафедры строительства и городского хозяйства Московский информационно-технологический университет - Московский архитектурно строительный институт E-mail: derbasova.evgenia@yandex.ru
