Trước khi một mô-đun duy nhất được gắn trên mái nhà thương mại, khả năng kết cấu của tòa nhà phải được xác minh để hỗ trợ một cách an toàn các tải bổ sung do mảng năng lượng mặt trời gây ra - không chỉ trọng lượng của tấm pin mà còn cả sức nâng của gió, tích tụ tuyết và tải trọng động do rung động do gió gây ra. Việc bỏ qua hoặc xác định thiếu đánh giá này sẽ tạo ra rủi ro về trách nhiệm pháp lý và quan trọng hơn là rủi ro về an toàn thực sự.
Các loại tải trọng kết cấu từ hệ thống năng lượng mặt trời trên mái nhà
Hệ thống PV trên mái nhà áp đặt bốn loại tải lên cấu trúc tòa nhà:
- Tải chết (DL): trọng lượng cố định của các mô-đun, giá đỡ, khối dằn và thiết bị điện. Tải trọng tĩnh của hệ thống điển hình: 15–25 kg/m2 (3–5 psf) đối với hệ thống mái bằng có dằn; 10–15 kg/m2 đối với hệ thống mái dốc được gắn cơ học
- Nâng gió (WU): áp suất âm (lực hút) lên dàn khi có gió - thường là trường hợp tải trọng chi phối đối với hệ thống dằn mái phẳng. Được tính theo ASCE 7-22 Chương 30 cho tải trọng thành phần và lớp phủ
- Tải trọng tuyết (SL): đối với các mảng dốc, tích tụ tuyết và trôi dạt do trượt. Đối với các mảng phẳng/bước thấp, tuyết trôi không đồng đều giữa các hàng tấm có thể tạo ra tải trọng tập trung lên các xà gồ cụ thể
- Tải trọng địa chấn (E): ở vùng có địa chấn, khối lượng mảng đóng góp vào khối lượng địa chấn của công trình; neo phải chịu được gia tốc địa chấn theo phương ngang và phương thẳng đứng
Yêu cầu IBC và ASCE 7
Ở Mỹ, thiết kế cấu trúc năng lượng mặt trời trên mái nhà bị chi phối bởi:
- IBC (Bộ luật xây dựng quốc tế): tham chiếu ASCE 7 cho các tổ hợp tải trọng; yêu cầu tải trọng mới trên các tòa nhà hiện tại phải được đánh giá để tuân thủ quy tắc
- ASCE 7-22: tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bao gồm các tải trọng chết, sống, gió, tuyết và địa chấn; Chương 29 đề cập cụ thể đến tải trọng gió trên các kết cấu mái nhà
- NEC 690: yêu cầu về điện ảnh hưởng đến vị trí xuyên qua mái nhà và yêu cầu nối đất
- AHJ địa phương (Cơ quan có thẩm quyền): sở xây dựng thành phố/quận - yêu cầu kiểm tra kế hoạch của họ khác nhau và có thể yêu cầu tem của kỹ sư kết cấu được cấp phép
Quy trình đánh giá tòa nhà hiện tại
Để bổ sung năng lượng mặt trời cho tòa nhà hiện có, việc đánh giá kết cấu thường tuân theo trình tự sau:
- Xem xét tài liệu: lấy bản vẽ kết cấu gốc nếu có. Nhiều tòa nhà thương mại được thiết kế với tải trọng cho phép của mái nhà là 1,0–1,5 kPa (20–30 psf); tải trọng mặt trời sử dụng một phần lợi nhuận này
- Kiểm tra tình trạng mái nhà: kiểm tra trực quan sàn mái, màng, dầm/xà gồ và lan can chu vi xem có hư hỏng hiện tại có thể ảnh hưởng đến công suất hoặc vị trí xuyên thấu hay không
- Tính toán tải: tính toán tĩnh tải mới, lực nâng của gió (sử dụng loại phơi nhiễm ASCE 7 và V_ult cục bộ), tải trọng tuyết cho vị trí địa điểm và tải trọng địa chấn nếu có
- Phân tích năng lực: so sánh tải trọng mới + tải trọng hiện có với khả năng chịu lực của các cấu kiện kết cấu; xác định bất kỳ thành viên nào đang bị căng thẳng quá mức
- Thiết kế khắc phục: nếu phát hiện các bộ phận chịu ứng suất quá lớn, hãy thiết kế cốt thép (dầm cùng loại, miếng đệm dằn bổ sung, điểm gắn được sửa đổi) hoặc sửa lại cách bố trí mảng để giảm tải
Hệ thống dằn mái phẳng: sức nâng của gió thường là tải trọng chủ đạo
cho hệ thống mái bằng có dằn (phổ biến ở các tòa nhà thương mại có mái TPO/EPDM nơi độ xuyên thấu được giảm thiểu), lực nâng gió chi phối thiết kế:
| Tiếp xúc với tòa nhà | Tốc độ gió thiết kế (V_ult) | Yêu cầu dằn điển hình |
|---|---|---|
| Ngoại ô / nơi trú ẩn (Tiếp xúc B) | 90–110 dặm/giờ | 15–25 kg/m2 (dằn 3–5 psf) |
| Địa hình mở (Phơi sáng C) | 100–120 dặm/giờ | 25–45 kg/m2 (dằn 5–9 psf) |
| Vùng ven biển/bão (Tiếp xúc D) | 140–170 dặm/giờ | 50–80 kg/m2 (10–16 psf) hoặc cần có phụ kiện cơ khí |
Các vùng góc và cạnh của mái nhà chịu áp lực gió cao hơn đáng kể so với bên trong - thường là 1,5–2× giá trị của vùng bên trong. Bố trí bảng điều khiển ở các khu vực góc thường yêu cầu thêm chấn lưu hoặc neo cơ học ngay cả khi khu vực bên trong chỉ có chấn lưu.
Khi nào cần phải có kỹ sư kết cấu được cấp phép?
Hầu hết các khu vực pháp lý của Hoa Kỳ đều yêu cầu thư kết cấu PE (Kỹ sư chuyên nghiệp) được cấp phép hoặc bản vẽ có đóng dấu đối với giấy phép năng lượng mặt trời trên mái nhà. Ngay cả khi không được yêu cầu về mặt pháp lý, hãy yêu cầu đánh giá PE khi:
- Bản vẽ kết cấu ban đầu không có sẵn
- Tòa nhà đã hơn 20 năm tuổi (có khả năng xuống cấp)
- Hệ thống lớn (>100 kW hoặc bao phủ >50% mái nhà)
- Vùng gió là Phơi sáng C hoặc D
- Tải tuyết vượt quá 1,0 kPa (20 psf)
- Tòa nhà có dấu hiệu hư hỏng về cấu trúc
Phí PE thường là 1.500–5.000 USD cho việc đánh giá mái nhà thương mại - một chi phí không đáng kể so với dự án và rủi ro trách nhiệm pháp lý khi lắp đặt thiếu sót.