Entwicklung Analysetool PV-Ballastierung für Gründächer, Hochschule für Technik und Umwelt FHNW

Ballastierte PV-Anlagen können ohne Dachdurchdringung auf Flachdächern installiert werden, müssen aber entsprechend korrekt ballastiert werden. Der aktuelle Trend zu Ost-West ausgerichteten PV-Anlagen sowie die zusätzlich geforderte Dachbegrünung zur Wasserrückhaltung, Erhöhung der Biodiversität und «Urban Cooling» erfordern neue Auslegungsrichtlinien für eine sichere Aufständerung von PV-Anlagen. Insbesondere der geforderte Mindestdachabstand von 20 cm erfordert eine neue Aufständerungsvariante und führt zu völlig neuen Windbeanspruchungen. Dies erfordert eine Weiterentwicklung der bestehenden Aufständerung, Simulationen zur Bewertung der verschiedenen Ausführungen und umfangreiche Windkanalversuche am Institut für Industrieaerodynamik in Aachen (I.F.I Aachen) zur Ermittlung der Windlasten und der erforderlichen Ballastierung.

Ziel ist die Weiterentwicklung der bestehenden Aufständerung von südausgerichteten PV-Anlagen zu ost-westausgerichteten Anlagen auf Gründächern unter Einhaltung der erforderlichen Mindestabstände. Parallel dazu wird das Auslegungstool zur sicheren Ballastierung von PV-Anlagen bei Windlasten auf Basis von Windkanaluntersuchungen und CFD-Simulationen weiterentwickelt. Durch die umfangreichen Untersuchungen und das erstellte Analysetool soll eine einfache Berechnung und sichere Ballastierung für die neue Gründachvariante ermöglicht werden.

Durch gezielte Optimierung der bestehenden Aufständerung konnte die erforderliche Ballastierung bei Windlasten reduziert und durch Weiterentwicklung eine neue Aufständerungsvariante für den Einsatz auf Gründächern erfolgreich entwickelt werden. Mit Hilfe von stationären CFD-Simulationen konnte die Weiterentwicklung der Aufständerung zu Beginn gezielt unterstützt werden, um das neue Design für die anschliessenden Windkanaluntersuchungen festzulegen.

Mit den Ergebnissen der durchgeführten Windkanaluntersuchungen im Grenzschichtwindkanal am I.F.I Aachen konnte ein Auslegetool für die Ballastierung entwickelt werden, um mit Berücksichtigung der unterschiedlichen Dachzonen und Lasteinflussflächen (Systemverbund), Randabstände etc. die örtlich aufgelöste minimale Ballastierung zu bestimmen.

Durch die minimale Ballastierung kann die Wirtschaftlichkeit der Anlagen gesteigert und durch das experimentell validierte Auslegetool die Sicherheit gewährleistet werden. Erst durch die durchgeführten Untersuchungen und das neue Auslegetool ist es der Alex Gemperle AG möglich, die aktuell geforderten begrünten Ausführungen von PV-Anlagen entsprechend anbieten zu können.

Mithilfe von weiterführenden Untersuchungen bezüglich transienter Simulation von Windlasten konnte die benötigte Ballastierung der neuen Gründachvariante weiter untersucht werden.

Animation 1: Strömungssimulationen mit transienten Windlasten, entsprechend dem Grenzschichtwindkanal, zur Validierung und Weiterentwicklung der Aufständerungen (Quelle: Bachelorarbeit Lukas Portmann)