建物のファサードでの太陽光発電システムの使用に関連する火災のリスク

日付: 2023 年 1 月 25 日

著者: ランベルト・マッツィオッティ、ピエルジャコモ・カンリエーレ、ジュゼッペ・パドゥアーノ、パオロ・セッティ、サミュエーレ・サッシ

ソース：MATEC Web オブ カンファレンス、第 46 巻

土井：https://doi.org/10.1051/matecconf/20164605001

今日、建物での太陽光発電 (PV) システムの使用は、太陽エネルギーを電気エネルギーに変換することに関連しているだけではなく、これらの PV モジュールまたはパネルは、美的特徴を備えて使用したり、さらには建物のファサードの熱保護システムとしても使用できます。

太陽光発電産業の技術開発のおかげで、太陽光発電システムは、不透明または透明な表面を持つ屋根、垂直ファサードコンポーネントなどの建物の建築要素に建築的に簡単に組み込むことができます。 さらに、PV 建設のファサード要素は、ドアや窓などの開口部によって提供することもできます。

事故分析によると、太陽光発電システムを建設要素として使用すると、建物火災の危険性が高まる可能性があります。 実際、国際および国内のデータでは、建物に適用または組み込まれた太陽光発電システムによって引き起こされる火災の数が増加していると報告されています。 （イタリアの）建物の火災安全を管轄する当局であるイタリア国立消防局は、2012年に、建物に太陽光発電システムを設置する際の火災のリスクを評価し、軽減するためのガイドラインを発表しました。ファサードまたは屋根として。 このガイドラインは、PV モジュールまたはパネルを構成する可燃部品による PV 火災の発火原因と延焼に関連する側面を軽減するだけでなく、保守要員と救助チームの両方の安全も考慮しています。

この論文は、建物のファサードにおける防火 PV パネルおよびシステムの使用に関連する防火面に焦点を当てており、これらのコンポーネントの火災挙動に関連するいくつかの興味深い実験データを示し、高稼働率などの延焼を促進する要因を強調しています。太陽光発電システム自体の温度。

太陽光発電 (PV) システムは、太陽光発電効果を利用して太陽放射を電気エネルギーに変換します。 世界中の環境奨励政策は、太陽光発電電気エネルギーコンバータの使用をサポートしています。 過去 10 年間、業界再編や経済危機の困難な時期であっても、太陽光発電所の設置数は大幅に増加したことが記録されています。 実際、世界の太陽光発電市場は 2011 年に記録的な成長を記録し、2012 年に鈍化して 2013 年に再び成長しました。2013 年だけでも、太陽光発電プラントは少なくとも 38.4GW の新たに追加された容量を生産し、ヨーロッパだけでほぼ 11GW に達しています。世界中で 138GW 以上の電力が設置されています [1]。

建物用の PV システムは、電気エネルギー生成機能を実行するだけでなく、水、雪、機械的衝撃から建物を保護したり、関連する要件を満たすために建設要素として設置されるように設計および構築されています。建物のエネルギー分類と温熱快適性まで。

PV は建物の設計者に大きな可能性をもたらしますが、火災の危険性の点で細心の注意を払う必要があります。

PV は建物の向き、設置面積、レイアウト、形状に影響を与える可能性があります。 それらは建築構造に影響を与え、環境および建築システムの重要な要素となるでしょう。 これらは、建物とその機能のエネルギー戦略の不可欠な部分として考慮する必要があります。 PV と他の建築要素との統合は成功に不可欠であり、これまで同様、外観と美学が特に重要です。 今日の太陽光発電建築製品は、建築構造外壁の重要な建設要素となり得、多くの場合、それらはそのファサードの一部です。

多くの PV クラッディングは、PV セルが適用されるガラス板であると考えることができるため、ガラス張りのファサードに関する広範な経験に基づいて構築することができます。 さらに、モジュールは雨よけクラッディングなどの他の実績のあるシステムに簡単に組み込むことができます。

カーテンウォール システムは、都心部のオフィスなどの多くの高級プロジェクトで使用されている確立された技術です。 マリオン/トランザム スティック システムが最も一般的です。 通常、視覚領域は二重ガラスで、非視覚領域は不透明なガラスまたは断熱金属パネルのいずれかです。 PV モジュールは、工場で組み立てられた二重ガラスユニットとして簡単に組み込むことができます。 外側の窓ガラスは合わせガラスであり、その上に PV 樹脂ガラスが適用されます。 次に、内側の窓ガラス (ガラス) を作ります。 2 つのガラスの間には密閉されたエアギャップも配置されます。 モジュールの全体の厚さは通常 30mm 未満になります。 例として、次の図はバーリ パレーゼ (イタリア) の空港ターミナルの PV ファサードを示しています。

エネルギー変換システムの第一の目的は効率であるため、太陽放射量を最大限に活用するために、太陽光発電システムの設計と設置は主に効率の側面に焦点を当てています。 したがって、太陽光発電システムの設置による火災の危険性は一般に十分に対処されていません。 国家消防隊（イタリア）の最近の調査によると、現在イタリアに設置されている約56万基の太陽光発電所で約1,600件の火災関連事故が発生しています。 最近、多くのヨーロッパ諸国と米国で、太陽光発電システムを備えた建物に関連する重大な火災が発生しています。 PV 太陽エネルギーコンバーターは発火の原因ではありませんが、建物内で火災が発生した場合、延焼を促進し、火炎伝播メカニズムを引き起こします。 したがって、太陽光発電太陽エネルギーコンバータの火災安全問題は、火災の原因と被害者の両方として対処する必要があります。 実際、彼らは火災を引き起こし、火災を引き起こし、火災の拡大に貢献している可能性があります。

この記事は、PV 火災点火の主な原因と欠陥メカニズムを説明するセクションで始まり、イタリア国立消防局が発行した PV 火災安全ガイドラインを説明するセクションに続きます。 3 番目のセクションでは、PV モジュールの耐火性特性を評価するための試験手順の重要性について説明します。

実験データは、太陽光発電システムの技術的側面に特別な注意を払うべきであること、そしてとりわけ、建物火災のリスクを減らすために避けるべきいくつかの重大な製造上の欠陥の可能性を減らすことに特別な注意を払うべきであることを実証しました。

太陽光発電プラントは発電プラントのサブセットであるため、過負荷と短絡という電気火災発火の 2 つの主な原因が見られます。 さらに、太陽光発電プラントが国内、欧州、または国際電気基準の推奨事項 (つまり、NFPA 70、IEC 60364-7-712、CEI 64-8) に従って設計および設置されている場合、過負荷と短絡による火災の危険がありません。十分に対処され、軽減されます。 また、太陽電池の出力特性は短絡電流が公称値より若干大きくなります。

残念ながら、太陽光発電所では、電気火災の発火の一連の適切な原因が示されています。 太陽光発電システムの火災安全性については、主に 2 つの考慮事項があります [2]: 火災は PV コンポーネントおよびシステムによって引き起こされる可能性があります – 「火災発生シナリオ」。 火災は外部要因によって引き起こされる可能性があります – 「被害者火災シナリオ」。

アーク放電 (直列アーク放電、並列アーク放電、接地アーク放電) は、火災発火の主な原因の 1 つです [3]。 火災発火のもう 1 つの重要な原因は、文献で「ホット スポット」と呼ばれるメカニズムに関連しています [4]。 PV モジュール上のホットスポットにより、バックシートに局所的な加熱が発生し、発火して適切な火災が発生する可能性があります。 影や PV セルの位置ずれによるモジュール内での逆電流の流れは、「ミスマッチ」と呼ばれる発火メカニズムの原因となります [5]。 モジュール、ストリング (2 つ以上のモジュールの直列接続)、およびインバーター間の接続が不足または不良であると、火災を引き起こす可能性のある十分な量の熱エネルギーが生成される可能性があります (図 2 を参照)。

さらに、PV 火災が発生した場合、PV モジュールとパネルが太陽光または人工光にさらされている間、すべてのコンポーネントの電源がオフになることを保証するために電力システム全体をオフにすることはできません [6]。 多数の PV モジュールを直列に接続して十分な電圧が得られると、感電の危険があります。 PV システムではより高い直流 (DC) 電圧が使用される場合があります。これは、配線サイズの縮小とインバータ効率の向上につながる可能性があるためです。 したがって、太陽電池モジュール [7] に関連する火災の鎮火に携わる消防士に対する電気的危険性も、太陽光発電建物内で考慮され、対処されるべきです。

応用型（BIPV）と統合型（BIPV）の両方の太陽光発電システムが建物に存在すると、太陽光発電モジュール、パネル、およびコンポーネントが屋外または建築物を通じた延焼に大きく寄与する可能性があるため、火災の既存の危険レベルが悪化する可能性があります。燃焼生成物の煙や排気システムを妨げ、消火活動の障害となり、回路の要素が通電していると消防士や救助隊員に感電の危険がさらに加わります。

イタリア国家消防局は、PV 火災関連事故の発生と、ホストの建物や建設工事への影響を軽減することを目的として、ガイドライン [8]、[9]、および [10] を発行しました。 このガイドラインは非規範的なアプローチで作成されています。 実際、2011 年 3 月 9 日の建設製品規制 – CPR 規制 [11] (EU) n.305/2011 によれば、建物への太陽光発電所の設置による火災の危険性の評価と軽減は、基本要件 n を満たすために実行する必要があります。 工事の2「火災時の安全性」。 基本的な要件 n. 2 – 火災時の安全 – 建設工事は、火災が発生した場合に安全であるように設計および施工されなければならないと主張します。

(1) 構造物の耐荷重能力は、特定の期間にわたって想定できる。 (2) 建設工事内での火災及び煙の発生及び延焼が限定的であること。 (3) 近隣の工事への延焼は限定的である。 (4) 占有者は建設作業から離れるか、他の手段で救助されることができる。 (5)救助隊の安全に配慮する。

太陽光発電所の設計と設置は、基本要件 n を満たすために実行する必要があります。 上記の 2 つは、次の問題に対処します。

建物に適用または組み込まれた太陽光発電システムの火災安全性に関するイタリアのガイドラインの完全な分析と議論は、[12] で報告されています。

建物設計における主な防火目標の 1 つは、煙と炎が火災発生床に限定されるように、垂直方向の火災の広がりを制限することです。 新しい建物のファサードとカーテンウォールのトポロジーは、防火上の懸念を圧倒する可能性があるため、イタリア国家消防局は、高層ビルのファサードの防火設計に対処するために消防法ガイドラインを発表しました[13]。

よく知られているように、最もよく使用されるファサードは、可燃性や火災傾向への関与をまったく考慮せずに、断熱性と吸音性を高める一連の材料の層で構築されています。 このため、ファサードの発火は人や財産の保護にとって重大な問題となることがよくあります。 さらに、火災が道路レベルで発生し、つまり燃えている車や廃棄物コンテナなどで発生し、燃料の垂直位置と無制限の酸化剤の存在を考慮して、可燃性物質で覆われているか完全に構築されている近くの建物のファサードに点火した場合量（大気中の酸素）が多ければ、ファサードは本物の巨大なトーチになる可能性があります。 カバー建築システム全体の脆弱性を軽減するために、軽量で高断熱性と吸音性の材料、さらにファサードの建設に使用される PV クラッディングとカバーは耐火性能に対して適切な反応を示す必要があります。 次のセクションでは、建物内で応用または統合システムとして使用される PV モジュールおよびパネルの耐火性特性を報告します。

屋根や建物のファサードでの延焼と炎の伝播は、屋根や建築製品や材料の火災反応に強く影響されます。 実際、建設製品の火災反応では、発火、火炎の広がり、熱発生率、煙とガスの生成、燃焼液滴の発生などの特性が扱われます。

EU 市場における PV モジュールの耐火等級は必須ではありません。 実際、PV モジュールの国際規格 IEC 61730-2「太陽光発電 (PV) モジュールの安全性認定 - パート 2: テストの要件」が欧州規格 EN 61730-2 になると、消防試験 MTS 23 は、政府の要求がある場合にのみ実行できるようになります。太陽電池モジュールのメーカー。 MTS 23 試験は、ANSI UL/790 規格 (「屋根カバーの防火試験のための標準試験方法の規格」) に従って実施され、PV モジュールの耐火性能分類はクラス C – 「基本耐火等級」の範囲にあります。 – 、クラス B からクラス A – 「最高耐火等級」– ; この規格では、建物に設置されたモジュールに対してクラス C の最低耐火性評価も要求しています。 さらに、UL 790 規格は、屋根に沿った炎の広がりと火の侵入という 2 つの防火上の懸念事項にも対応しています。

EN 61730-2 規格では、MTS 23 テストは基本的な要件を指定しており、地域または国の建築消防法要件に従って建築用途を目的としたモジュールのニーズを満たすには十分ではない可能性があるとも述べています。

最後の文に続いて、イタリアの火災安全を管轄する当局であるイタリア国立消防局は、中央防火・技術安全総局の受動防火区域が実施した実験活動に基づき、国家消防庁に国家消防庁の消防報を発行した。 PV モジュールの火災に対する反応評価をテストおよび分類するための解像度。

火災挙動の分類と防火目的の材料の認証は、1984 年 6 月 26 日に発行された内務省令によって規制されているため [14]、PV 決議では、PV モジュールは分類できると述べています。イタリアの火災反応に従う 前述の政令に記載されている基準、試験方法、および分類手順によって提供される分類。

可燃性物質の国家火災反応性能分類は、以下に示す 3 つのテストの組み合わせからの結果を使用して決定されます。

表 1. 材料の火災に対する反応のイタリアの分類。

表 1 は、各テストの出力結果をどのように組み合わせて全体的な国家分類を作成するかを示しています。可燃性材料と製品は、1、2、3、4、5 の 5 つのカテゴリに分類され、1 が最高レベルの性能、5 が最低レベルの性能です。 。 この表は UNI 9177「火災可燃性製品の分類への反応」[18] に基づいています。

UNI 8457 試験では、試験片の下端に小さな点火炎を 30 秒間当て、火炎の伝播速度、試験片の損傷領域、白熱後の時間、および炎の液滴/粒子を観察および測定します。

UNI 9174 は、炎や輻射加熱を受ける可能性のある製品の耐火性能に対する反応を扱います。 試験対象の試験片は輻射パネルに露出した不燃性支持体の上に置かれ、試験片の下側に炎が当てられます。 テスト中、ラジアルパネルから放出される熱は 6.2 W/cm2 に相当します。 輻射パネルのテスト中、次のパラメータが観察および記録されます。

次の図は、輻射熱の存在下で火炎を用いたテスト中のファサード PV モジュールの火災テストの結果を示しています。図の左側の画像は PV バックシートの燃焼による層の分離を強調しており、図の中央は PV バックシートの機構を示しています。水膨れ。 図の右側は、PV 燃焼中の火炎の高さを示しています。

上に示したイタリアの試験手順によるクラス 1 の耐火性評価は、「ガラス対ガラス」タイプの PV モジュールで簡単に達成できます。 最も一般的な PV モジュール技術では、ガラスは太陽光にさらされる側にのみ使用され、バックシートは一般に可燃性材料で構成されます。 火炎の広がり挙動と火炎速度の伝播は、PV モジュールのバックシートを構築するために選択された材料に厳密に関連しています。 イタリアの火災反応規則の要件に準拠するために、PV モジュールのメーカーは、PV モジュールの火災に対する適切な反応を構築するために選択された材料を評価する必要があります。 PV モジュールの特性評価に適用されるイタリアの火災反応法の詳細な説明は [19] で報告されています。

建設の観点から見ると、建築用一体型太陽光発電システムは、従来の壁や屋根の外装要素に代わるものと同じ役割を果たす必要があります。 したがって、建設製品のすべての通常の問題、つまり、外観、耐候性と風雨からの保護、風荷重、材料の寿命、故障のリスクと影響、およびすべての安全面（建設、火災、電気など）に対処する必要があります。 。）。

PV モジュールおよびシステムは、欧州の統一規格によってまだ規制されていません。 作業グループによって実行され、最近「prEN 50583 建物における太陽光発電:2012」というタイトルで CEN ad CENELEC に提出されたヨーロッパのプロジェクトがあります [20]。 この prEN では、BIPV および BAPV という用語の定義が初めて導入されます。

BIPV は、欧州建設製品指令 CPD 89/106/CE [11] で定義されている機能を提供する建築統合型太陽光発電モジュールです。 したがって、PV モジュールが建物の機能の完全性を担う場合、それは BIPV と見なされます。 言い換えれば、統合された PV モジュールが取り外された場合、適切な建築コンポーネントと交換する必要があります。 これは、BIPV モジュールが次の機能を実行できる必要があることを意味します。

BAPV は、PV モジュールが建物外壁に取り付けられており、建物統合に関する上記の基準を満たしていない場合、建物付属太陽光発電とみなされます。 これは、建物の機能の完全性が、建物に取り付けられた太陽光発電モジュールの存在とは無関係であることを意味します。

さらに、欧州規格草案では、いくつかのアプリケーション カテゴリが導入され、これらが欧州建設製品指令の必須要件に細分化されています。 図 4 に示すように、ファサード要素はカテゴリ C とカテゴリ D に分類されます。

prEN 50583 は、PV モジュールにアプリケーション固有の要件を割り当て、「ガラスを含む」と「ガラスを含まない」という主要カテゴリに分けています。

火災時の安全性については、すべての BIPV カテゴリの一般要件は EN 13501-1 規格を参照しており、火災クラス E に対する欧州の対応の最低要件があります。カテゴリ C のファサード PV 要素の火災分類標準は、次に従って実行する必要があります。 EN 13501-2 および EN 13501-5 が必要ですが、カテゴリ D では EN 13501-2 火災分類のみが必要です。 PV フレキシブル プラスチックおよびゴム シートの場合、耐火性能には EN TS 1187:2012 に基づく Broof T1、T2、T3、または T4 分類が必要となる場合があります。

安全性は太陽光発電 (PV) 業界にとって最大の関心事です。 住宅および商業ビルに導入される技術として、PV が建物に損傷を与えたり、居住者に危害を与えたりしないことが重要です。 欧州の統一規格の問題は、特に火災の危険に対してファサード PV モジュールを本質的に安全にするのに役立つ可能性があります。

主な結論は、このようなシステムによって引き起こされる火災リスク、延焼、および適切な点火メカニズムの軽減は、太陽光発電建物設備の適切かつ正確なリスク評価と、太陽光発電の火災挙動の試験、資格認定および認証の側面に強く関連しているということです。 PV ファサード要素。 より安全な PV モジュールとより優れたシステム設計を組み合わせることで、今日のファサード PV システムで見られる安全性の問題の多くを解決できます。

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