Μελέτη από την Κίνα αποδεικνύει ότι τα φωτοβολταϊκά συστήματα στέγης σε στάβλους βοοειδών (βουστάσια) μπορούν να μειώσουν σημαντικά τη θερμορροή μέσω της στέγης και να βελτιώσουν τις εσωτερικές θερμικές συνθήκες. Επιτόπιες μετρήσεις και προσομοιώσεις ανέδειξαν μείωση της εσωτερικής θερμοκρασίας κατά έως 2,3 °C κατά τις ώρες αιχμής της απογευματινής θερμικής καταπόνησης.
Ερευνητική ομάδα από την Κίνα διερεύνησε κατά πόσον τα φωτοβολταϊκά συστήματα στέγης μπορούν να συμβάλλουν στην αντιμετώπιση της θερμικής καταπόνησης σε στάβλους βοοειδών (βουστάσια).
«Η έρευνα αυτή παρέχει ποσοτικά τεκμηριωμένες αποδείξεις που υποστηρίζουν τις συμβουλευτικές και αποφασιστικές διαδικασίες διαχειριστών κτηνοτροφικών μονάδων, αγροτικών υπεύθυνων χάραξης πολιτικής και ολοκληρωτών φωτοβολταϊκών συστημάτων», δήλωσαν οι ερευνητές. «Αποδεικνύοντας ότι τα φωτοβολταϊκά συστήματα στέγης επιτελούν διπλό ρόλο — παράγουν καθαρή ηλεκτρική ενέργεια και λειτουργούν ως παθητική λύση ψύξης που μειώνει τις μέγιστες εσωτερικές θερμοκρασίες κατά έως 2,3 °C κατά τις κρίσιμες απογευματινές ώρες — η παρούσα εργασία παρέχει άμεσα ερείσματα για αποφάσεις επενδύσεων σε βιώσιμες υποδομές.»
Οι επιστήμονες ανέπτυξαν αριθμητική προσομοίωση και την επικύρωσαν βάσει λειτουργούντος φωτοβολταϊκού συστήματος εγκατεστημένου στη στέγη εμπορικού βουστασίου. Το μοντέλο επέτρεψε τον υπολογισμό της θερμορροής στέγης, δηλαδή του ρυθμού μεταφοράς θερμότητας μέσα από τη στέγη προς το εσωτερικό του κτιρίου.
Για την αξιολόγηση της επίδρασης των φωτοβολταϊκών πλαισίων στη θερμορροή της στέγης, η ομάδα πραγματοποίησε επιτόπιες μετρήσεις σε φυσικά αεριζόμενο βουστάσιο στην Επαρχία Σαντόνγκ της Κίνας. Το κτήριο έχει άνοιγμα 32 m, μήκος 372 m και ύψος γείσου 4,5 m. Διαθέτει δίρριχτη στέγη με νότιο προσανατολισμό, κλίση 17,17° και κατασκευή από μονόστρωτη διαμορφωμένη χαλύβδινη λαμαρίνα χωρίς θερμομόνωση.
Η εγκατάσταση χωρίστηκε σε δύο ζώνες. Το ένα τμήμα παρέμεινε χωρίς φωτοβολταϊκή εγκατάσταση, ενώ το άλλο εξοπλίστηκε με 1.152 φωτοβολταϊκά πλαίσια συνολικής ισχύος 299,52 kW. Τα πλαίσια τοποθετήθηκαν παράλληλα προς την κλίση της στέγης, διατηρώντας αεριζόμενο κενό 0,10 m μεταξύ των πάνελ και της επιφάνειας της στέγης, και κάλυψαν το 60% της νότιας στέγης. Στις δύο ζώνες στεγάζονταν 164 και 316 αγελάδες αντίστοιχα.
Για τη συγκριτική αξιολόγηση της θερμικής απόδοσης μεταξύ των δύο τμημάτων, οι ερευνητές παρακολούθησαν εσωτερικές και εξωτερικές θερμοκρασίες ξηρού βολβού, σχετική υγρασία, ταχύτητα αέρα και ηλιακή ακτινοβολία από τον Ιούνιο έως τον Σεπτέμβριο 2023. Επίσης μέτρησαν τις θερμοκρασίες της εσωτερικής επιφάνειας της στέγης με υπέρυθρη θερμογραφία και εφάρμοσαν τον Δείκτη Θερμοκρασίας-Υγρασίας (THI — Temperature-Humidity Index) για την αξιολόγηση της θερμικής καταπόνησης των ζώων.
Τα μετρηθέντα δεδομένα χρησιμοποιήθηκαν στη συνέχεια για την επικύρωση υπολογιστικού μοντέλου του βουστασίου που αναπτύχθηκε στο SolidWorks. Η επικύρωση έδειξε τιμές μέσου απόλυτου ποσοστιαίου σφάλματος (MAPE) 4%–6% σε σχέση με τις επιτόπιες μετρήσεις. Με το επικυρωμένο μοντέλο, οι ερευνητές κατέστησαν ικανοί να ποσοτικοποιήσουν τη δυναμική μεταφοράς θερμότητας στον κτιριακό φάκελο.
«Η ανάλυση με γραμμικό μικτό μοντέλο αποκάλυψε ότι τα φωτοβολταϊκά πλαίσια μειώνουν σημαντικά τη θερμορροή στέγης κατά τη διάρκεια της ημέρας (βαρύτητα επίδρασης 57,7%, p < 0,001), με την ισχυρότερη μείωση να εμφανίζεται κατά τις ώρες αιχμής ηλιακής ακτινοβολίας μεταξύ 11:00 και 13:00», ανέφεραν οι ερευνητές. «Αυτό το αποτέλεσμα αποδίδεται κυρίως στη σκίαση, τη φωτοβολταϊκή μετατροπή και τη συναγωγική ψύξη εντός της αεριζόμενης κοιλότητας κάτω από τα πλαίσια.»
«Τα φωτοβολταϊκά πλαίσια μείωσαν σημαντικά τις εσωτερικές θερμοκρασίες κατά τη διάρκεια της ημέρας (βαρύτητα επίδρασης 8,7%, p < 0,05), επιτυγχάνοντας μέγιστη μείωση περίπου 2,3 °C κατά τη διάρκεια της κρίσιμης απογευματινής περιόδου θερμικής καταπόνησης (14:00–16:00)», πρόσθεσαν.
Συνολικά, τα ευρήματα υποδεικνύουν ότι η ενσωμάτωση φωτοβολταϊκών συστημάτων στις κτηνοτροφικές εγκαταστάσεις μπορεί να αποφέρει μετρήσιμα συνοφέλη, παράγοντας ταυτόχρονα ανανεώσιμη ηλεκτρική ενέργεια και βελτιώνοντας τις εσωτερικές θερμικές συνθήκες για την ευζωία των ζώων υπό συνθήκες θερμικής καταπόνησης.
Η έρευνα παρουσιάστηκε στο άρθρο «Rooftop photovoltaic systems can mitigate dairy barn heat stress by suppressing roof heat flux: a temporal analysis», το οποίο δημοσιεύθηκε στο επιστημονικό περιοδικό Biosystems Engineering. Στη μελέτη συμμετείχαν ερευνητές από το Γεωργικό Πανεπιστήμιο της Κίνας, το Βασικό Εργαστήριο Αγροτικής Μηχανικής σε Κατασκευές και Περιβάλλον του Υπουργείου Γεωργίας και Αγροτικών Υποθέσεων, το Γεωργικό Πανεπιστήμιο του Σαντόνγκ και το Ερευνητικό Κέντρο Μηχανικής Πεκίνου για Υγιεινό Περιβάλλον Ζώων.