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Die Erfindung betrifft einen Flachdachaufsatz mit einem Solarmodul und einer Abstützwand, welcher ohne weitere Befestigung auf einem Flachdach aufgestellt werden kann. Des Weiteren umfasst die Erfindung eine Flachdachaufsatzanordnung, umfassend mehrere Flachdachaufsätze.
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Herkömmliche Flachdachaufsätze für Solarmodule werden entweder mit schwerem Ballast beladen oder an dem Flachdach verankert, um den einwirkenden Windkräften standzuhalten. Das Beladen solcher Aufsätze mit Ballast ist einerseits kostenintensiv und führt andererseits zu einer sehr hohen Flächenbelastung der Dächer. Die zweite Variante, wonach die Aufsätze auf den Flachdächern verankert werden, bedarf in der Regel eines Durchbruchs oder einer Durchbohrung der dichtenden Schicht des Flachdaches. Folglich ist die Dichtheit des Daches nicht mehr gewährleistet oder es müssen kostenintensive Maßnahmen zur Abdichtung ergriffen werden.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Flachdachaufsatz mit Solarmodul bereitzustellen, welcher bei kostengünstiger Herstellung und einfacher Montage ein sicheres und windfestes Aufstellen des Flachdachaufsatzes auf einem Flachdach ermöglicht, ohne dass dabei zusätzlicher Ballast oder eine Verankerung auf dem Dach notwendig ist.
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Die Aufgabe wird gelöst durch einen Flachdachaufsatz, umfassend zumindest ein Solarmodul und eine gegenüber dem Solarmodul geneigte Abstützwand, wobei eine Solarmodulunterkante und eine Abstützwandunerkante parallel und beabstandet zueinander angeordnet sind und zum Aufliegen auf einem Flachdach ausgebildet sind, und wobei eine Solarmoduloberkante und eine Abstützwandoberkante miteinander verbunden sind. Der Flachdachaufsatz weist erfindungsgemäß im Bereich der Solarmoduloberkante und/oder Abstützwandoberkante zumindest einen Durchbruch auf und die beiden Stirnseiten und die Unterseite des Flachdachaufsatzes sind offen. Erfindungsgemäß ist der Flachdachaufsatz so ausgebildet, dass weder eine Beladung des Flachdachaufsatzes mit Ballast notwendig ist, noch eine Verankerung oder Verschraubung des Flachdachaufsatzes auf dem Flachdach vorgesehen ist. Die beiden Stirnseiten sind jeweils definiert durch eine Fläche, umrandet von einer seitlichen Kante des Solarmoduls einer seitlichen Kante der Abstützwand und dem Flachdach. Zwischen Solarmodul, Abstützwand und Flachdach ist ein nach unten offener Hohlraum vorgesehen. Die beiden Stirnseiten sowie die Unterseite des Flachdachaufsatzes sind als offen definiert, dem spricht jedoch nicht entgegen, dass in diesem Freiraum etwaige Verbindungs- oder Abstützstreben vorgesehen sein können. Dadurch stellt sich letztendlich ein aerodynamischer Effekt ein, welcher zum Ansaugen des Flachdachaufsatzes auf dem Flachdach führt. Das Solarmodul ist bevorzugt eine Photovoltaikanlage zur Erzeugung von Strom oder eine Vorrichtung zur Erwärmung von Wasser. Dächer mit einer Neigung von +/– 10° gegenüber der Horizontalen werden ebenfalls als Flachdächer angesehen. Ferner ist durch den Durchbruch im oberen Bereich ein Abtransport der erwärmten Luft möglich. An windstillen Tagen im Sommer erwärmen sich die Solarmodule und auch die Abstützwand, dadurch kommt es zur Lufterwärmung im Innenraum des Flachdachaufsatzes, und zur Absenkung des elektrischen Wirkungsgrades bei Photovoltaikmodulen. Durch das Aufsteigen der warmen Luft wird kühlere Luft nachgesaugt und der elektrische Wirkungsgrad steigt durch die Hinterlüftung.
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In vorteilhafter Ausführung ist vorgesehen, dass der Durchbruch als horizontaler Schlitz ausgebildet ist. Bevorzugt erstreckt sich der Schlitz über zumindest eine halbe Modullänge, insbesondere über zumindest 2/3 der Modullänge. Die Modullänge ist dabei in horizontaler Richtung definiert. Weiter von Vorteil ist es, dass der horizontale Schlitz 2 cm bis 6 cm, insbesondere 3 cm bis 5 cm, insbesondere 4 cm, breit ist. Diese geometrische Ausbildung des Schlitzes hat sich im Windkanal als vorteilhaft erwiesen.
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Die obere Kontur des Durchbruchs in Längsrichtung des Schlitzes betrachtet verläuft bevorzugt auf einer Höhe zur Horizontalen. Insbesondere verläuft die obere Kontur des Schlitzes, in Längsrichtung des Solarmoduls gesehen, parallel zu einer horizontalen Ebene. Die beiden kurzen Seiten des Schlitzes verlaufen bevorzugt unterhalb dieser Horizontalen. Besonders bevorzugt wird deshalb der Schlitz durch eine Beabstandung der Solarmoduloberkante und der Abstützwandoberkante gebildet. Diese beiden Oberkanten liegen dann bevorzugt auf einer horizontalen Höhe und bilden die obere Kontur des Durchbruchs. Strömt Wind über die Kanten entsteht an der Unterseite ein Unterdruck (vergleichbar mit einem Schiebedach im Auto) genau über dem Bereich des Schlitzes. Dadurch wird Luft aus dem Innenbereich abgesaugt, die dann an den Stirnflächen des Flachdachaufsatzes wieder angesaugt wird. Die Luft wird somit durch das System gezogen.
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In bevorzugter Ausführung sind mehrere horizontale Schlitze vorgesehen, wobei die mehreren horizontalen Schlitze in horizontaler Richtung fluchtend angeordnet sind, um Luftverwirbelungen zu vermeiden. Insbesondere dann, wenn mehrere Solarmodule nebeneinander angeordnet sind, ist bevorzugt über jedem Solarmodul ein Schlitz vorgesehen. Diese Schlitze der mehreren Solarmodule werden in horizontaler Richtung fluchtend angeordnet.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung ist vorgesehen, dass der Durchbruch in der Abstützwand oder im Solarmodul oder zwischen der Solarmoduloberkante und der Abstützwandoberkante angeordnet ist. Besonders bevorzugt ist die Variante, in der der Schlitz zwischen Solarmoduloberkante und Abstützwandoberkante angeordnet ist. Die beiden Oberkanten könnten beispielsweise durch in horizontaler Richtung relativ kurze Verbindungselemente zusammengefügt werden. Zwischen diesen beiden Verbindungselementen entsteht sodann der Durchbruch.
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Ferner von Vorteil ist es, dass die Solarmodulunterkante und die Abstützwandunterkante zum winddichten Aufliegen auf dem Flachdach ausgebildet sind. Unter ”winddicht” ist hier nicht zwingend ein luftdichtes Aufliegen zu verstehen. Es ist ausreichend, dass der Spalt zwischen den Unterkanten und dem Flachdach möglichst gering ausgebildet wird, so dass in erster Linie der Wind über die Stirnseiten eintritt und über den Durchbruch ausströmt.
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Ferner bevorzugt ist es, dass der Flachdachaufsatz einen dreieckförmigen Querschnitt aufweist. Dabei ist ein erster Winkel zwischen dem Solarmodul und dem Flachdach kleiner einem zweiten Winkel zwischen der Abstützwand und dem Flachdach. Durch die Gestaltung dieser Winkel kann das Solarmodul optimal zur Sonnenstrahlung hin ausgerichtet werden und zur platzsparenden Anordnung wird die Abstützwand steiler gestellt als das Solarmodul.
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Bevorzugt beträgt der erste Winkel zwischen dem Solarmodul und dem Flachdach 15° bis 35°, insbesondere 30° bis 35°, insbesondere 25°. Dieser Anstellwinkel ist optimal zur Sonneneinstrahlung ausgerichtet und hat sich im Windkanalversuch bewährt.
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In vorteilhafter Ausgestaltung des Flachdachaufsatzes sind die Solarmodulunterkante und die Abstützwandunterkante mittels zumindest einer Verbindungsstrebe miteinander verbunden. Dies erhöht die Stabilität des Flachdachaufsatzes und verhindert ein Auseinanderklappen von Solarmodul und Abstützwand.
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Ferner bevorzugt ist es, zum Abstützen des Solarmoduls gegen das Flachdach zumindest eine Abstützstrebe einzuziehen. Diese Abstützstrebe wird zwischen der Solarmoduloberkante und der Solarmodulunterkante an dem Solarmodul befestigt und erstreckt sich nach unten in Richtung des Flachdaches. Besonders bevorzugt wird die Unterseite der Abstützstrebe mit der Verbindungsstrebe zwischen Abstützwandunterkante und Solarmodulunterkante verbunden.
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Somit ist bevorzugt vorgesehen, dass die beiden Stirnseiten des Flachdachaufsatzes vollständig offen sind und sich zwischen den beiden Stirnseiten, mit Ausnahme der optionalen Verbindungsstreben und Abstützstreben, ein durchgehend freier Hohlraum befindet.
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Die Erfindung umfasst des Weiteren eine Flachdachaufsatzanordnung, umfassend mehrere Flachdachaufsätze, wie sie soeben beschrieben wurden. Die mehreren Flachdachaufsätze werden dabei stirnseitig aneinandergefügt, so dass ein gemeinsamer Hohlraum zwischen den Abstützwänden und den Solarmodulen der mehreren Flachdachaufsätze entsteht. Die Abstützwand dieser Flachdachaufsatzanordnung kann bevorzugt einstückig ausgeführt sein und sich über mehrere Solarmodule erstrecken. Die Solarmodule und/oder Abstützwände der mehreren Flachdachaufsätze werden dabei möglichst winddicht stirnseitig aneinandergefügt.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand zweier Ausführungsbeispiele in der begleitenden Zeichnung genauer erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine erfindungsgemäße Flachdachaufsatzanordnung mit vier erfindungsgemäßen Flachdachaufsätzen gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
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2 einen Flachdachaufsatz gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
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3 einen Flachdachaufsatz gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
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4 eine Anordnung mehrerer erfindungsgemäßer Flachdachaufsatzanordnungen für beide Ausführungsbeispiele.
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Nachfolgend wird anhand der 1 und 2 das erste Ausführungsbeispiel genauer erläutert.
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1 zeigt eine Flachdachaufsatzanordnung 21 mit vier stirnseitig winddicht aneinander gefügten Flachdachaufsätzen 1.
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Jeder der Flachdachaufsätze 1 besteht aus einem Solarmodul 2 mit einer sich in horizontaler Richtung erstreckenden Modullänge 19 und einer zum Solarmodul 2 geneigten Abstützwand 3. Zwischen dem Solarmodul 2 und der Abstützwand 3 befindet sich ein Durchbruch 9, ausgebildet als Schlitz mit einer sich in horizontaler Richtung erstreckenden Schlitzlänge 20.
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An den beiden Stirnseiten 10 und 11 ist die Flachdachaufsatzanordnung 21 offen. Ebenso ist eine Unterseite 12 der Flachdachaufsatzanordnung 21 und somit eines jeden Flachdachaufsatzes 1 offen (siehe 2).
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Wie 2 verdeutlicht, umfasst das Solarmodul 2 eine Solarmodulunterkante 4 und eine Solarmoduloberkante 6. Die Abstützwand 3 umfasst eine Abstützwandunerkante 5 und eine Abstützwandoberkante 7. Die Abstützwand 3 und das Solarmodul 2 laufen nach oben hin aufeinander zu und die Solarmoduloberkante 6 und die Abstützwandoberkante 7 sind mittels Verbindungselementen 16 miteinander verbunden. Diese Verbindungselemente 16 erstrecken sich in horizontaler Richtung nicht über die gesamte Länge und beabstanden die Solarmoduloberkante 6 und die Abstützwandoberkante 7, so dass zwischen der Solarmoduloberkante 6 und der Abstützwandoberkante 7 der schlitzartige Durchbruch 9 entsteht.
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Dieser schlitzartige Durchbruch 9 erstreckt sich mit seiner Schlitzlänge 20 in horizontaler Richtung. Die Schlitzlänge 20 beträgt 88 cm. Die Modullänge beträgt 150 cm. Die Schlitzlänge 20 beträgt somit 6/10 der Modullänge 19. Eine Breite 13 des Durchbruchs 9 zwischen der Solarmoduloberkante 6 und der Abstützwandoberkante 7 beträgt 4 cm.
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Zur Ausbildung der winddichten Auflage der Solarmodulunterkante 4 und der Abstützwandunterkante 5 auf dem Flachdach 8 umfasst das Solarmodul 2 eine erste Bodenleiste 14. Diese erste Bodenleiste 14 erstreckt sich durchgehend in horizontaler Richtung und bildet die Solarmodulunterkante 4. In ähnlicher Weise umfasst die Abstützwand 3 eine zweite Bodenleiste 15, welche sich ebenfalls durchgehend in horizontaler Richtung erstreckt und die Abstützwandunterkante 5 bildet.
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3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des Flachdachaufsatzes 1. Mehrere dieser Flachdachaufsätze 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel werden bevorzugt ebenfalls, wie in 1 gezeigt, zu einer Flachdachaufsatzanordnung 21 zusammengefügt. Gleiche bzw. funktional gleiche Bauteile werden in beiden Ausführungsbeispielen mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
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Als Ergänzung zum ersten Ausführungsbeispiel umfasst das zweite Ausführungsbeispiel zumindest eine Verbindungsstrebe 17 zwischen der ersten Bodenleiste 14 und der zweiten Bodenleiste 15.
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4 zeigt eine bevorzugte Anordnung mehrerer Flachdachaufsatzanordnungen 21 auf einem Flachdach 8. Diese bevorzugte Anordnung auf einem Flachdach ist selbstverständlich mit den Flachdachaufsätzen 1 beider Ausführungsbeispiele vorgesehen. Bevorzugt werden die Flachdachaufsätze 1 sowie deren Anordnung auf einem Flachdach 8 wie folgt dimensioniert: Ein erster Winkel α zwischen dem Flachdach 8 und dem Solarmodul 2 beträgt 25°. Ein zweiter Winkel β zwischen dem Flachdach 8 und der Abstützwand 3 beträgt 75°. Eine Höhe H zwischen dem Flachdach 8 und der Solarmoduloberkante 6 bzw. Abstützwandoberkante 7 beträgt 50,5 cm. Eine Länge L mehrerer zu einer Flachdachaufsatzanordnung 21 zusammengefügter Flachdachaufsätze 1 beträgt 600 cm. Eine Tiefe T, definiert zwischen Solarmodulunterkante 4 und Abstützwandunterkante 5, beträgt 110 cm. Ein Abstand A zwischen zwei hintereinander aufgestellten Flachdachaufsatzanordnung 21, definiert durch den Abstand der beiden Solarmodulunterkanten 4, beträgt 240 cm. Bevorzugt beträgt ein Verhältnis der Tiefe T zum Abstand A 0,4 bis 0,6. Ferner bevorzugt beträgt ein Verhältnis der Höhe H zum Abstand A 0,1 bis 0,3.
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Zur Überprüfung der Statik der in den Ausführungsbeispielen dargestellten Flachdachaufsätze 1 wurden Windkanalversuche wie folgt durchgeführt: Für die Windkanaluntersuchungen wurde ein für die Messung von mittleren und flukturierenden Winddrücken geeignetes starres Modell einer Flachdachaufsatzanordnung 21 im geometrischen Maßstab 1:30 gefertigt. Die Modelle wurden als Messmodule derart ausgebildet, so dass sowohl der windinduzierte Druck an der Oberfläche (Außenseite) als auch der windinduzierte Druck an der Unterseite (Innenseite), bedingt durch die Hinterlüftung, simultan erfasst werden konnte. Das Modell wurde an verschiedenen Orten auf einem Flachdachmodell versetzt aufgestellt, um die jeweilige Windbelastung zu bestimmen. Zwischen dem Solarmodul 2 und der Abstützwand 3 wurde dabei der erfindungsgemäß beschriebene Spalt bzw. der Durchbruch 9 realisiert.
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Die Modelle wurden dabei auf einem Gebäudemodell mit rechteckigem Grundriss und Flachdachausbildung positioniert. Das Modell des Flachdaches wurde im Modell derart dimensioniert, dass es eine typische Industriehallenhöhe von 10 m repräsentiert. Des Weiteren wurden bei der Anströmung im Windkanal die Ähnlichkeit der Anströmung und eine realistische Simulation der Windströmung erreicht. So wurde neben der Modellierung des Bauwerks die naturgetreue Simulation des Windes, der abstrahiert eine turbulente Grenzschichtströmung über eine raue Platte darstellt, im Windkanal dargestellt. Dies gilt sowohl für die Form des mittleren Windgeschwindigkeitsprofils als auch für die Turbulenzcharakteristika des Windes. Neben dem mittleren Geschwindigkeitsprofil wurden die aufgrund der Böigkeit des natürlichen Windes auftretenden Geschwindigkeitsschwankungen um den Mittelwert modelliert. Die für verschiedene Standorte repräsentativen atmosphärischen Grenzschichtströmungsverhältnisse, d. h., die höhenabhängigen Verteilungen der mittleren Windgeschwindigkeiten und der Windböen, wurden mit Hilfe von auf dem Windkanalboden angebrachten Rauigkeitselementen und Vortex-Generatoren am Anfang der Messstrecke erzeugt.
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Es wurden sowohl Druckmessbohrungen auf der Ober- und Unterseite der Modelle des Flachdachaufsatzes angebracht, so dass die resultierenden Differenzdrücke direkt und simultan gemessen werden konnten. Die auf diese Weise ermittelten Druckbeiwerte sind wegen der stets eingehaltenen Ähnlichkeitsgesetze direkt auf die Naturverhältnisse übertragbar.
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Im Ergebnis hat sich herausgestellt, dass der erfindungsgemäße Flachdachaufsatz 1 ohne Ballast und ohne Verankerung auf einem Flachdach aufgestellt werden kann. Die aerodynamisch günstige Ausgestaltung mit den offenen Stirnflächen und dem Durchbruch von der Außenseite in den Hohlraum unterhalb des Solarmoduls 2 und der Abstützwand 3 führt zu einem Ansaugen des Flachdachaufsatzes 1 auf dem Flachdach 8 und somit zu einem sicheren Stand.
