תכנון מערכות אנרגיה סולארית

תכנון מערך פוטו-וולטאי על גג מבנה, כחלק מהחלוקה התכנונית של שטח הגג בשלב המוקדם.

אנרגיה סולארית היא הפקת חשמל מקרינת השמש באמצעות מערכת פוטו-וולטאית, והיא הפכה בעשור האחרון מרכיב שנשקל בסוף התכנון לרכיב שנקבע בתחילתו. גג של מבנה מגורים או מבנה תעסוקה הוא שטח מבוקש שעליו מתחרות יחידות מיזוג, מערכות לחימום מים, פירים, חדרי מכונות ומרחבי שהייה משותפים, ולכן חלוקת השטח הזו נסגרת בפועל בשלב התכנון האדריכלי המוקדם. הפרויקטים שבהם השילוב עובר בשקט הם אלה שבהם ההיתכנות נבחנה לפני הגשת בקשת ההיתר, ולא אלה שבהם המערכת נדחסה לגג לאחר שהאיטום, הקונסטרוקציה ולוח החשמל כבר נקבעו.

השאלה ההנדסית האמיתית היא שאלת תזמון ולא שאלת עקרון, שכן מקום המערך, העמסת הקונסטרוקציה, תוואי הכבילה, מיקום הממיר, נגישות התחזוקה והמסלול הרגולטורי מוכרעים בשלבים שונים ובפני גורמים שונים. הטקסט שלהלן עוסק בסדר ההכרעות, בגורם המאשר כל אחת מהן ובמה שהופך בלתי הפיך אחרי כל אבן דרך תכנונית.

זמן קריאה: 14 דקות

חלוקת שטח הגג נסגרת בשלב התכנון המוקדם

גגות של מבנים חדשים נושאים היום מערכות רבות יותר מבעבר, וכל אחת מהן דורשת שטח פרוס, מרווחי גישה ואופק פנוי. הנגזרת התכנונית היא שקביעת שטח מערך הפאנלים נעשית בסקיצות הראשונות, בזמן שהאדריכל מסדר את מפלס הגג, את גובה המעקה ואת מקום חדרי המכונות, ולא בשלב שבו נבחר הציוד.

כאשר שמורת השטח למערך אינה מסומנת בשלב הזה, המערכת מקבלת בהמשך את השאריות של הגג, רצועות צרות שאינן מאפשרות מרווח תחזוקה סביר, אזורים המוצללים על ידי מעקה גבוה או פיר, ומקומות שבהם כל חדירה לגג נדרשת לעבור דרך פרט איטום שכבר אושר. הגורם שמכריע כאן הוא צוות התכנון, לא ספק הציוד ולא הקבלן המבצע.

הבחינה המקדימה שאנחנו מבצעים בשלב הזה קצרה בהיקפה ומכרעת בהשפעתה, והיא כוללת סימון אזור פוטנציאלי למערך, בדיקת גיאומטריית הגג ביחס לאלמנטים הבולטים ממנו והגדרת מקום שמור לממיר ולתוואי כבילה. משפרויקט עובר את שלב ההגשה, השטח הפנוי על הגג מפסיק להיות משתנה תכנוני והופך לנתון.

מסלול הזרם במערכת פוטו-וולטאית וההשלכות התכנוניות שלו

עקרון הפעולה עצמו פשוט להסבר, הפאנלים ממירים את קרינת השמש לזרם ישר, הממיר הופך אותו לזרם חילופין המתאים למערכת החשמל של המבנה, והחשמל מוזן לצריכה במקום או מוזרם לרשת דרך מונה דו-כיווני. בין שלושת השלבים האלה נמצאת כל העבודה ההנדסית שאינה נראית בשרטוט השיווקי.

תכנון מערכות סולאריות עוסק בהתאמה בין הציוד לבין המבנה שנושא אותו, ולכן הוא בוחן את קונסטרוקציית הגג, את פרטי העיגון והחדירה, את יכולת לוח החשמל הקיים לקלוט מעגלים נוספים, את מקום הממיר מבחינת אוורור ונגישות ואת התוואי שבו יעברו הכבלים בין הגג לחדר החשמל. השאלה כמה פאנלים נכנסים על הגג היא השאלה האחרונה בסדר הזה, לא הראשונה.

רכיבי הליבה בכל מערכת דומים בעקרונם ושונים במפרט, ובהם פאנלים, ממיר, קונסטרוקציית עיגון, מערכת חשמל והגנות, מונה ומערכת ניטור. מפרט משרד האנרגיה והתשתיות למערכות סולאריות מגדיר את הרכיבים האלה כמכלול אחד, וההיגיון התכנוני זהה, מכלול נבחן כמכלול ולא כרשימת פריטים שנרכשים בנפרד.

אנרגיה סולארית לבית מול פרויקטים סולאריים בהיקף מסחרי

מערכת על גג בית פרטי ומערכת על גג מבנה תעסוקה נראות דומות בתמונה ושונות לחלוטין בתיק התכנון. אנרגיה סולארית לבית נבחנת בעיקר ביחס לגג יחיד, ללוח חשמל אחד ולחיבור צריכה אחד, ולכן היקף התיאום ההנדסי בה מצומצם והמסלול הרגולטורי קצר יחסית.

פרויקטים סולאריים על מבני מסחר, מבני ציבור, מוסדות בריאות ומתחמי התחדשות עירונית מתנהלים אחרת, שכן הגג משמש גם מערכות מיזוג בהיקף גדול, גם פתחי עשן וגם ציוד תפעולי, והמערכת החשמלית במבנה כזה מתפצלת לחיבורים ולמוני צריכה מרובים. במבנים האלה ההחלטה על מערך פאנלים נוגעת בקונסטרוקטור, ביועץ החשמל, ביועץ הבטיחות, ביועץ האיטום ובמתכנן המערכות התרמיות בעת ובעונה אחת.

ההבדל המעשי אינו נמצא בגודל בלבד. במבנה בודד ניתן לתקן טעות תכנונית בגג בלי לעצור לוח זמנים, ובמתחם שבו כמה בניינים מוגשים כמקשה אחת, שינוי בפריסת הגג מחייב עדכון של נספחים שכבר הוגשו לוועדה המקומית. ניסיוננו בפרויקטים סולאריים למתקנים כמו אינטל חיפה, בית החולים בילינסון ובית החולים השרון מלמד שהתיאום בין הדיסציפלינות הוא הרכיב שקובע את משך התכנון.

טיפול בשלב הסקיצה מול טיפול לאחר קבלת ההיתר

פרויקט שבו נבחנה היתכנות סולארית בשלב הסקיצות מגיע להיתר עם גג שסומן מראש, עם העמסה שנלקחה בחשבון בחישוב הקונסטרוקציה ועם פיר שמור לכבילה. פרויקט שבו המערכת נכנסת לדיון לאחר קבלת ההיתר מתחיל תהליך אחר לגמרי, הכולל בדיקה חוזרת של הקונסטרוקציה, פתיחה של פרטי איטום מאושרים, בחינה מחדש של תכולת לוח החשמל ולעיתים חזרה לוועדה המקומית.

הפער בין שני המסלולים נמדד במספר הגורמים שנדרשים לאשר את אותה החלטה עצמה, ובמספר הסבבים שבהם היא חוזרת לשולחן. בשלב הסקיצה ההחלטה היא של צוות התכנון בלבד; לאחר ההיתר אותה החלטה נוגעת בקבלן, במפקח, ביועצים ובגורם הרישוי.

מבנה קיים נבחן במסלול בדיקה שונה ממבנה חדש

במבנה חדש הדרישות נכתבות מראש לתוך התכנון, ולכן הקונסטרוקטור מקבל את ההעמסה הצפויה של המערך לפני חישוב התקרה, ויועץ החשמל מתכנן את הלוח עם מקום לרזרבה. במבנה קיים סדר הפעולות מתהפך, והתכנון מתחיל בסקר מצב קיים של הגג, האיטום, הקונסטרוקציה ומערכת החשמל.

סקר כזה בודק את יכולת הנשיאה של התקרה בפועל, את גיל שכבת האיטום ואת האופן שבו ניתן לעגן קונסטרוקציה בלי לפגוע בה, ואת המצב החשמלי בלוח הראשי מול הצריכה הקיימת. במבני מגורים ותיקים במסגרת התחדשות עירונית הבדיקה הזו נעשית פעמיים, פעם על המצב הקיים ופעם על המבנה המחוזק והמורחב.

מקומה של אנרגיה סולארית בדרישות תקן 5281

תקן 5281 לבנייה ירוקה בוחן את המבנה כמערכת ביצועים ולא כאוסף פתרונות, ולכן ייצור חשמל מקומי הוא אחד הרכיבים שיכולים לתרום לעמידה בדרישות האנרגיה שבו, לצד מעטפת המבנה, הזיגוג, האוריינטציה ומערכות המיזוג. ההיגיון של התקן מחייב לבחון את התרומה הזו בתוך המודל האנרגטי של המבנה, ולא כתוספת שנספרת בנפרד בסוף התהליך.

המשמעות המעשית עבור היזם היא שהחלטה על מערכת סולארית משפיעה על האופן שבו נבנה תיק הבנייה הירוקה כולו, ולפיכך היא נדרשת להיכנס לתמונה בזמן שיועץ הבנייה הירוקה מגדיר את אסטרטגיית הניקוד ולא לאחריה. הרחבנו על אופן העבודה מול התקן במאמר תקן 5281 מהלכה למעשה, שם מפורטים שלבי ההגשה והבקרה.

נקודה שנוטים להחמיץ היא שדרישות הבנייה הירוקה נקבעות בפועל ברמת הרשות המקומית, וההוראות בתכניות ובתנאי ההיתר משתנות בין רשות לרשות ואף בין תכנית לתכנית באותה עיר. הבדיקה של ההוראות החלות על המגרש הספציפי נעשית בתחילת התכנון, בזמן שעוד ניתן להיערך אליהן.

עומסי רוח וקונסטרוקציית גג במערך פאנלים

מערך פאנלים המונח על גג משנה את פני השטח שהרוח פוגשת, ולכן הבחינה הקונסטרוקטיבית עוסקת בשני דברים במקביל, תוספת המשקל הקבועה על התקרה ופעולת הרוח על הפאנלים ועל קונסטרוקציית העיגון. בגגות של מבנים גבוהים ובסביבה עירונית צפופה משטרי הרוח מורכבים יותר, מפני שהמבנים הסמוכים מייצרים האצות מקומיות ואזורי מערבולת שאינם נגזרים ישירות מנתוני האזור.

במקרים שבהם הפרויקט כולל מבנה גבוה או מתחם עם כמה מבנים, אנחנו בוחנים את מפלס הגג בתוך מודל רוח מלא באמצעות מכניקת זורמים חישובית (CFD), ובכך מתקבלת תמונה של הזרימה סביב המעקה, סביב חדרי המכונות ומעל המערך עצמו. הרחבה על הנושא מופיעה במאמר מידול CFD ומשטרי רוח בערים.

עיגון, חדירות גג ופרטי איטום

שיטת העיגון נקבעת מתוך שילוב של פעולת הרוח, סוג הגג ומצב האיטום, ולכן היא נגזרת מהבדיקה ההנדסית ולא מנוחות ההתקנה. בגג שבו נבחרת שיטה שאינה חודרת, נדרשת בדיקה נפרדת של העומס המחזיק; בגג שבו מבוצעות חדירות, פרט האיטום סביב כל חדירה הוא מסמך תכנוני לכל דבר.

הצללה עצמית וגיאומטריה של הגג בתכנון המערך

גג שנראה פנוי בתצלום אוויר אינו בהכרח גג בלי הצללה, שכן מעקה גבוה, חדר מכונות, פיר אוורור, ארובה או עץ בוגר בחצר השכנה מטילים צל בשעות מסוימות של היום ובעונות מסוימות של השנה. הבחינה התכנונית מנתחת את הצללים האלה לאורך מהלך היום והשנה, וממקמת את המערך במקום שבו האופק הפנוי מיטבי ביחס לאילוצי הגג.

לתופעת ההצללה העצמית בין שורות הפאנלים יש משמעות נפרדת, והיא נשלטת דרך המרווחים בין השורות, זווית ההצבה וכיוון הפריסה. בגגות קטנים ובגגות שעליהם מערכות אחרות, הפשרה בין ניצול השטח לבין מרווחי ההצללה והתחזוקה היא ההחלטה התכנונית המרכזית.

בפרויקטים בסביבה עירונית מתווספת שאלת ההצללה מהמבנים העתידיים, שכן תכנית שאושרה על המגרש הסמוך יכולה לשנות את האופק של הגג לאחר האכלוס. אצלנו בדיקת ההצללה נעשית ביחס לזכויות הבנייה בסביבה ולא ביחס למצב הקיים בלבד, וזו הבחנה שמונעת מיקום מערך שיאבד חלק מהאופק שלו בתוך מספר שנים.

מעטפת תרמית ומערכת סולארית כמערכת אנרגטית אחת

מבנה שצורך פחות אנרגיה דורש מערכת ייצור קטנה יותר כדי להגיע לאותה תוצאה אנרגטית, ומכאן שההחלטה על מערכת סולארית תלויה במעטפת שנקבעה לפניה. בידוד תרמי, ניצול מסה תרמית, טיפול בגשרי קור, בחירת זיגוג ואוריינטציה של החזיתות מגדירים את עומסי החימום והקירור, והם אלה שקובעים את פרופיל הצריכה שאליו המערכת מותאמת.

עבודה לפי ת"י 1045 ות"י 5282 מייצרת מודל אנרגטי של המבנה, וממנו ניתן לראות את השפעת ההחלטות התרמיות על הצריכה השנתית לפני שנקבע היקף הייצור המקומי. מודל כזה מאפשר להשוות מסלולים תכנוניים בכלים של עלות מחזור חיים ולא בכלים של הרגל, וזה בדיוק ההיגיון שאנחנו מפעילים בבחינת מסלולי מעטפת חלופיים במאמר תכנון תרמי מתקדם למבנים.

לגג עצמו יש תפקיד כפול בסיפור הזה, מפני שהוא גם המשטח שנושא את הפאנלים וגם אלמנט במעטפת התרמית. פריסת פאנלים משנה את תנאי הקרינה על שכבת האיטום ועל התקרה שמתחתיה, ולכן התיאום בין היועץ התרמי לבין מתכנן המערכת נעשה על אותו חתך ולא על שני שרטוטים נפרדים.

תכנית בניין עיר, פטור מהיתר והוועדה המקומית

שני מסלולים סטטוטוריים נפרדים נבחנים בכל פרויקט סולארי, והבלבול ביניהם הוא מקור נפוץ לעיכובים. המסלול הראשון הוא התאמה להוראות התכנית החלה על המגרש, לרבות הוראות בנוגע למיתקנים על הגג, לגובה ולמרווחים; המסלול השני הוא שאלת הצורך בהיתר בנייה למערכת עצמה או האפשרות לפעול במסגרת תקנות העבודות הפטורות מהיתר, בכפוף לדיווח לרשות הרישוי.

מינהל התכנון מפרסם מדריכים לעבודות הפטורות מהיתר ולתהליכי הדיווח, ובמקביל קיימת תכנית מתאר ארצית העוסקת במיתקנים פוטו-וולטאיים. הקביעה אם מערכת ספציפית נכנסת למסגרת הפטור תלויה בסוג המבנה, בהיקף המיתקן ובהוראות התכנוניות החלות על המגרש, ולכן היא נבדקת פרטנית מול הוועדה המקומית ולא על בסיס תקדים מפרויקט אחר.

העיתוי של הבדיקה הזו קובע את לוח הזמנים. פנייה מקדמית לוועדה המקומית בשלב שבו התכנון עוד גמיש מאפשרת להתאים את המיתקן לדרישות; פנייה לאחר שהתכנון נסגר מייצרת מצב שבו הדרישה של הוועדה מחייבת שינוי במסמכים שכבר הוגשו.

המסלול מול רשות החשמל וסוג החיבור המבוקש

רשות החשמל היא הגורם הרגולטורי שקובע את מסלולי ההסדרה לייצור חשמל מבוזר, את דרישות ההגשה ואת הכללים לצריכה עצמית ולהעברת עודפים לרשת. ההסדרה לייצור חשמל מבוזר לצריכה עצמית והעברת עודפים לרשת מגדירה את העקרונות האלה כמסמך מדיניות רשמי, וממנה נגזרות הדרישות המעשיות בשדה.

התאמת המסלול לגודל החיבור ולתשתית החשמל באתר

ההתאמה בין המסלול שנבחר לבין גודל וסוג החיבור באתר היא ההכרעה המרכזית בפרק החשמלי, שכן מסלול אחד מתאים למיתקן קטן על גג של בית מגורים ומסלול אחר מתאים למיתקן על גג מבנה תעסוקה עם חיבור מסחרי. לצד המסלול נבדקים גם המונה, ההגנות בלוח והתאמת הציוד לדרישות ההגשה, וכאשר המערכת משולבת באגירה מתווספות הנחיות ייחודיות בנוגע למדידה.

העבודה הנכונה בשלב הזה היא להביא את שאלת החיבור לשולחן לפני שהתכנון החשמלי של המבנה נסגר, מפני שגודל החיבור, מקום חדר החשמל וזמינות הרזרבה בלוח נקבעים בתכנון המערכות ואינם ניתנים לשינוי חופשי אחריו.

בטיחות אש, נגישות תחזוקה ותיק המיתקן

מערך פאנלים על גג משנה את תנאי הגישה של צוותי תחזוקה ושל גורמי הבטיחות אל מפלס הגג, ומכאן נובעות דרישות תכנוניות מוגדרות בנושא שילוט, סימון, אפשרות ניתוק ומעברים פנויים. הוראת נציב כבאות והצלה בנושא מיתקנים פוטו-וולטאיים עוסקת בהיבטים האלה, והיא נדרשת להיכנס לתכנון בזמן שפריסת הגג עוד ניתנת לשינוי.

נגישות התחזוקה היא רכיב שנשכח בתכנון ומופיע מיד לאחר האכלוס, שכן ניקוי הפאנלים, החלפת ממיר ובדיקות תקופתיות דורשים מעברים, נקודת מים ונקודת חשמל בגג. מערך שנפרס עד קצה השטח הפנוי חוסך שטח בתכנון ומייצר עבודה יקרה יותר בכל ביקור תחזוקה, וזה שיקול שנכנס לחישוב עלות מחזור החיים של המערכת.

בסיום התהליך נדרש תיק מיתקן מסודר, הכולל את התכניות שבוצעו, את מפרטי הציוד, את פרטי העיגון ואת מסמכי הבדיקות. תיק שנאסף תוך כדי ביצוע נמסר עם המבנה; תיק שנאסף בדיעבד הופך לפרויקט בפני עצמו, ולעיתים חסרים בו פרטים שאי אפשר לשחזר לאחר סגירת האלמנטים.

הפער בין מה שהוגש לבין מה שהרשות בודקת

גורם הרישוי אינו קורא את התכנון כמכלול שיווקי, אלא מחפש בתיק את התשובות לשאלות שהוא מחויב לבדוק, ובהן התאמה להוראות התכנית, סימון המיתקן בתכניות, מסמכי הבטיחות, ההיבט הקונסטרוקטיבי וההיבט החשמלי. תיק שמכיל את כל החומר אבל אינו מסודר לפי סדר הבדיקה הזה חוזר עם הערות, גם כאשר התכנון עצמו תקין.

הפער הזה חוזר בעיקר בפרויקטים שבהם המערכת הסולארית תוכננה בנפרד משאר תיק הבנייה, ולכן היא מופיעה כמסמך נלווה ולא כחלק מהתכניות. במקרים כאלה הרשות מבקשת השלמות שמצריכות חתימות של יועצים שכבר סיימו את מעורבותם בפרויקט, וזה הגורם שמאריך את התהליך יותר מכל בדיקה מקצועית.

הכנת ההגשה נעשית אצלנו בהיגיון של הגורם הבודק, מהתב"ע ועד ההיתר, כאשר כל דרישה מקבלת מסמך שעונה עליה במקום שבו הבודק מחפש אותו. הניסיון שלנו בהכנת נספחים, דוחות ותיקי הגשה בהיקף של מעל 2,000 פרויקטים ברחבי הארץ בנוי בדיוק על ההיכרות עם סדר הבדיקה הזה ועם ההערות החוזרות בכל רשות.

ליווי הנדסי לאורך פרויקטים סולאריים וניהול הממשקים

מערכת סולארית נוגעת בקונסטרוקציה, באיטום, בחשמל, בבטיחות, בבנייה הירוקה ובמערכות התרמיות, ולכן היא נכשלת בממשקים ולא בציוד. ליווי הנדסי שמתחיל בבחינת היתכנות, עובר לתכנון ולתיאום מול גורמי הרישוי וממשיך לבדיקות ולמסירה מייצר גורם אחד שאחראי על הממשקים האלה במקום שהם ייפלו בין ארבעה יועצים.

אנחנו מלווים פרויקטים סולאריים במבני מגורים, במבני מסחר ותעסוקה ובמבני ציבור ובריאות, ובכל אחד מהם סדר ההכרעות שונה לפי סוג המבנה ולפי הרשות המאשרת. אפשר לראות את קשת סוגי המבנים והמזמינים בדף פרויקטים שביצענו ברחבי הארץ, מבתים פרטיים ועד בתי חולים ושדות תעופה.

תחום האנרגיה המתחדשת בישראל נמצא בתנועה רגולטורית מתמשכת, והדיון הציבורי בהסדרת מיתקני ייצור ואגירה מקבל ביטוי גם בסיקור הרגולציה בעיתונות הכלכלית. עבור מזמין העבודה המשמעות היא שהבדיקה הרגולטורית מתבצעת מול המצב העדכני בזמן התכנון, ולא על בסיס נוהל שהיה תקף בפרויקט הקודם.

בחינת ההיתכנות לפרויקט הספציפי

כל מבנה מגיע לבחינה הזו עם נתונים אחרים, גיאומטריית גג, יכולת נשיאה, מצב איטום, גודל חיבור חשמל, הוראות תכנית והנחיות של רשות מקומית. משום כך התשובה לשאלה אם ובאיזה אופן משתלבת מערכת סולארית בפרויקט נבנית מתוך התיק עצמו, ולא מתוך כלל אצבע שנשען על פרויקט אחר בעיר אחרת.

הצוות שלנו כולל מהנדסים, אדריכלים ומתכננים בתחומי הבנייה הירוקה, התכנון התרמי, מיקרו האקלים והאנרגיה, וכל הדיסציפלינות האלה יושבות תחת קורת גג אחת, מהסקיצה הראשונה של האדריכל ועד מסירת הפרויקט. אפשר להתרשם מהיקף העבודה שלנו בדף פרופיל החברה.

שאלות נפוצות

שילוב מערכת סולארית בפרויקט בנייה הוא סדר של הכרעות שנוגעות בקונסטרוקציה, באיטום, בחשמל, בבטיחות ובבנייה הירוקה, וכולן נפתחות בשקט כשההיתכנות נבחנת בשלב הסקיצה ולא לאחר קבלת ההיתר. אנחנו בוחנים את תכניות הגג, את חיבור החשמל ואת ההוראות התכנוניות החלות על המגרש שלכם ומספקים תשובה מבוססת לשאלה איך ומתי המערכת משתלבת בפרויקט.

על הכותב

אביעד בראון, מנכ״ל GreEngineering

מוביל משרד להנדסת סביבה ואנרגיה מכפר סבא המתמחה בתכנון, ייעוץ וליווי פרויקטים לבנייה ירוקה לפי תקן 5281, תכנון ומידול תרמי לפי תקני 1045 ו-5282, מידול רוחות והצללות, סקרי אנרגיה ואנרגיה מתחדשת, תכנון סביבתי לתב"עות ולהיתרי בנייה ותכנון פתרונות אשפה. במשרד מועסקים מהנדסים, אדריכלים ומתכננים בתחומי הנדסת אנרגיה, תעשייה וניהול ואיכות הסביבה, והוא ליווה למעלה מ-2,000 פרויקטים ברחבי הארץ, מבתים פרטיים ועד שדות תעופה, בתי חולים ומתחמי מגורים בקנה מידה לאומי.