Fasady bioklimatyczne

Fasady bioklimatyczne to efekt innego podejścia do projektowania. Tworząc fasady bioklimatyczne należy wziąć pod uwagę oba cele współczesnego projektowania fasad budynków – energooszczędność i podejście bioklimatyczne – które tak naprawdę przenikają się, efektem czego powstają różnorodne pomysły na rozwiązanie elewacji budynku.

Spis treści

1. Fasady bioklimatyczne jako wielowarstwowe układy fasad przeszklonych z osłonami przeciwsłonecznymi
2. Fasady bioklimatyczne – dwuwarstwowe szklane fasady wentylowane
3. Zielona fasada jako rodzaj fasad bioklimatycznych
4. Fasady bioklimatyczne smart
5. Fasady bioklimatyczne – trendy i kierunki rozwoju

Fasady bioklimatyczne charakteryzuje dynamika działania, której cel stanowi maksymalne wykorzystanie zmiennych i trudno przewidywalnych parametrów środowiska otaczającego tak by można je było zastosować do budowania mikroklimatu wnętrz przy uwzględnieniu zmiennych potrzeb użytkowników. Wszystko to powinno zachodzić przy możliwie najmniejszym zapotrzebowaniu obiektu na energię nieodnawialną. Podstawowym wymaganiem, wynikającym z naszego klimatu, jest zdolność fasady budynku do pozyskiwania energii słoneczniej zimą i w okresach przejściowych oraz do ochrony przed przegrzewaniem w miesiącach gorących, kiedy wskazane jest ograniczenie dostępu promieniowania słonecznego, a także intensyfikacja wymiany powietrza w budynkach.

Fasady bioklimatyczne jako wielowarstwowe układy fasad przeszklonych z osłonami przeciwsłonecznymi

W drugiej połowie XX wieku groźba kryzysu energetycznego wpłynęła na weryfikację pojawiających się wówczas masowo rozwiązań elewacji o dużych powierzchniach przeszkleń. Od tego czasu znacznemu udoskonaleniu uległo szklenie fasadowe, czego przykładem są zestawy o wysokich właściwościach termoizolacyjnych, zaopatrzone w specjalne powłoki, np. niskoemisyjną czy selektywnie przepuszczającą promieniowanie słoneczne. Równolegle zaczęły się pojawiać rozwiązania inspirowane tradycyjnymi okiennicami w postaci różnego rodzaju przesłon nakładanych na przeszklenia po zewnętrznej stronie. Najprostsze z nich to poziome daszki, zdolne do skutecznego zacieniania elewacji o ekspozycji południowej. Umieszczone na właściwym poziomie w stosunku do przeszklenia mogą skutecznie zablokować bezpośredni dostęp promieniowania słonecznego w okresie letnim, jednocześnie pozwalając na jego wnikanie w pozostałej części roku. W przypadku elewacji odchylonych na wschód lub zachód konieczna jest ochrona przed niskim promieniowaniem letnim. Taką funkcję mogą również pełnić okiennice, żaluzje, rolety lub markizy, które jednak ograniczają widoczność. Ważne jest zatem, by zasłaniały okna tylko wtedy, gdy jest to konieczne ze względu na ochronę przed przegrzewaniem i nadmiarem światła. Powinny być zaopatrzone w systemy ruchome, które pozwalają na zmianę położenia elementów, zależną od zjawisk pogodowych i potrzeb użytkowników.

Tendencję do wyposażania systemów przeciwsłonecznych w nowoczesne instalacje sterujące można zauważyć szczególnie w przypadku inwestycji wysokobudżetowych, najczęściej wysokiej klasy biurowców lub realizacji o charakterze prototypowym. Przykładem ostatniej jest model modułowej jednostki mieszkalnej w Darmstadt (proj. Solar Decathlon Team Uniwersytetu Technicznego w Darmstadt), przeznaczonej do posadowienia na powierzchni płaskich dachów istniejących budynków. Przeszklone elewacje zostały w niej przesłonięte systemem zacieniającym w formie drewnianych ruchomych paneli żaluzjowych, dzięki czemu można suwać nimi wzdłuż płaszczyzny ściany, a także ustawiać je pod kątem do niej. Lamele są ruchome i od strony zewnętrznej pokryte ogniwami PV. Ich położenie sterowane jest automatycznie, co pozwala na skuteczne zacienienie wnętrza przy pozyskaniu maksymalnej ilości energii ze słońca. W ten sposób system spełnia swoje zadanie przy dowolnym położeniu modułu względem stron świata.

Inną tendencją rozwoju systemów zacieniających jest wykorzystanie nowoczesnych technik projektowania ich formy. Jako przykład może posłużyć budek biurowy w Groningen (proj. UNStudio). Liczący ponad 90 m obiekt został uformowany za pomocą metod parametrycznych, tak by uzyskać optymalne warunki nasłonecznienia wnętrza oraz układ aerodynamiczny umożliwiający wentylację naturalną przez okna, bez gwałtowanych zjawisk wokół budynku (małe opory).

Parametrycznej optymalizacji poddano także profil pionowy fasady, dzięki czemu powstało stosunkowo proste technologicznie rozwiązanie, łączące kilka funkcji bioklimatycznych. Jego zasadniczą część tworzą umieszczone na wysokości stropu aluminiowe półki, otaczające co kondygnację bryłę obiektu na całym obwodzie. Ich profil zmienia się płynnie w zależności od orientacji względem stron świata, tak by skutecznie zacieniać wnętrze. Górna część półki stanowi płaszczyznę odbicia dla zimowego promieniowania słonecznego, które trafia na powierzchnię sufitu, a następnie wprowadzane jest w głąb pomieszczeń (rys. 1). Można także uzupełnić układ półek zacieniająco-świetlnych o wewnętrzne rolety, pozwalające na regulację dostępu promieniowania indywidualnie przez użytkowników budynku.

Fasady bioklimatyczne – dwuwarstwowe szklane fasady wentylowane

Innowacyjnym rozwiązaniem z końca XX wieku są szklane elewacje składające się z dwóch niezależnych warstw, odsuniętych od siebie na odległość od kilkunastu do kilkudziesięciu centymetrów. W przestrzeni między nimi cyrkuluje powietrze, którego ruch może być wywołany w sposób naturalny lub mechaniczny. Obecnie najczęściej stosowany jest układ otwarty dla przepływu powietrza między wnętrzem a otoczeniem. Polega on na dodaniu do ściany osłonowej z otwieranymi oknami warstwy zewnętrznej w postaci lżejszej ściany o pojedynczym szkleniu, wyposażonej w otwory wentylacyjne. Dzięki temu w przestrzeni wewnątrzfasadowej występuje naturalna cyrkulacja powietrza pobranego z zewnątrz. Jego zaletą jest możliwość wprowadzenia wentylacji naturalnej w budynkach o znacznych wysokościach (ekran zewnętrzny pozwala na otwieranie okien na każdej wysokości) oraz lokalizowanych na terenach o dużym natężeniu hałasu (ekran znacząco tłumi hałas, nawet przy otwartych oknach). Dodatkowo powstający w przestrzeni wewnątrzfasadowej efekt szklarniowy ogrzewa pomieszczenia w okresach zimnych i przejściowych. Jest on jednak poważnym problemem w miesiącach gorących, gdyż może prowadzić do ich przegrzewania, a co za tym idzie – wzrostu zapotrzebowania na klimatyzację. Procesy aerodynamiczne i termiczne, zachodzące w strukturze tego rodzaju ściany, są bardzo skomplikowane i trudne do przewidzenia. Choć elewacje dwuwarstwowe były postrzegane jako istotny krok w rozwoju idei przegrody bioklimatycznej, nie wszystkie realizacje przełomu XX i XXI wieku (wówczas powstało ich najwięcej) okazały się pod tym względem udane. Przykładem jest jedna z pierwszych polskich inwestycji – fasada budynku biurowego przy Rondzie ONZ w Warszawie, która po kilkunastu latach użytkowania doczekała się demontażu zewnętrznego ekranu.

Powstające współcześnie przeszklone fasady dwupowłokowe projektowane są rozważniej. Pojawiają się także rozwiązania, w których zewnętrzna warstwa szklenia wykonana jest jako element żaluzjowy, umożliwiający otwieranie przestrzeni wewnątrzfasadowej w celu ochrony przed jej przegrzewaniem. Taka właśnie fasada została zastosowana w Europejskim Centrum Solidarności w Gdańsku (proj. Pracownia FORT). Powietrze cyrkuluje w niej na całej wysokości budynku dzięki ażurowym pomostom. W przypadku wyższych obiektów konieczne jest wprowadzenie podziałów stałych, tak by obieg powietrza obejmował nie więcej niż trzy kondygnacje.

Zielona fasada jako rodzaj fasad bioklimatycznych

Fasady bioklimatyczne to także ściany zintegrowane z naturalną, żywą roślinnością. W przypadku najprostszych rozwiązań roślinność (pnąca, liściasta, sadzona w gruncie lub donicach ustawionych przy licu elewacji) wykorzystywana jest jako element zacieniający przegrody transparentne. Dzięki temu w okresie zimowym (bezlistnym) promieniowanie dociera do wnętrz, zaś w ciepłym liście zacieniają wnętrze. Rośliny same w sobie pełnią funkcję klimatotwórczą, regulują wilgotność powietrza i obniżają temperaturę w otoczeniu budynku w gorące dni, a także pochłaniają dwutlenek węgla i zanieczyszczenia z powietrza. To znaczące korzyści, zwłaszcza że w przypadku niskich obiektów wprowadzenie roślinności pnącej na fasadę nie wymaga złożonych rozwiązań technologicznych, czego przykładem jest kompleks biurowy Cristal Park w Warszawie (proj. JEMS architekci). Nikłe początkowo roślinny w ciągu kilku sezonów osiągnęły pełną wysokość trzech kondygnacji budynku i bardzo bujne listowie.

Inne, bardziej zaawansowane technologicznie rozwiązania polegają na umieszczeniu roślin w kasetonach lub donicach na płaszczyźnie ściany (ang. living walls). Jedną z pierwszych tego typu realizacji w Polsce jest fasada bioklimatyczna siedziby Fundacji na rzecz Nauki Polskiej (proj. FAAB Białobrzeski i Figurski). Obecnie trwają dyskusje i badania nad ich rozwojem, tak by możliwie najbardziej uprościć technologię i przystosować ją do polskich warunków klimatycznych (wielokrotne zamarzanie i rozmarzanie zimą powoduje niszczenie nasadzeń). Wydaje się, że gdy istnieje możliwość wprowadzenia naturalnej roślinności w gruncie w otoczeniu budynku, integrowanie jej z elewacją za pomocą kosztownych i bardzo złożonych rozwiązań nie jest racjonalne. Efekt klimatotwórczy okupiony jest wtedy bowiem koniecznością połączenia elementu budowlanego ze skomplikowanym systemem pielęgnacji roślin. Niewątpliwie jednak w warunkach intensywnie zabudowanych, pozbawionych zieleni i zanieczyszczonych stref śródmiejskich tego typu dachy i ściany dają cenną możliwość tworzenia równowagi środowiskowej oraz poprawy klimatu wokół obiektów. Sprawia to, że rozwój tego rodzaju technologii jest bardzo pożądany.

Fasady bioklimatyczne smart

Dostępne współcześnie rozwiązania fasad bioklimatycznych jedynie w pewnym stopniu realizują ideę podążania za zmiennością parametrów środowiska i pełnego wykorzystania ich możliwości na potrzeby budynków. Znaczący postęp może przynieść nowa generacja materiałów budowlanych, bowiem w porównaniu z innymi przemysłami budownictwo stosunkowo wolno przejmuje innowacje materiałowe i wciąż opiera się na rozwiniętych w XX w., choć stopniowo udoskonalanych, technologiach.

W latach 80. XX w. Mike Davies stworzył koncepcję ideową ściany, którą nazwał polyvalent wall. Tworzy ją tafla szkła złożona z wielu warstw, pełniących różne funkcje związane z kształtowaniem mikroklimatu wnętrza budynku z wykorzystaniem warunków otoczenia (rys. 2). Po zewnętrznych stronach zamykają je dwie warstwy szkła, a bezpośrednio za nimi znajduje się system czujników odczytujących na bieżąco parametry środowiska po obu stronach ściany. Wewnątrz znajdują się powłoki mikronowych grubości zdolne do: zmiany przezroczystości, regulacji temperatury, aktywnego pozyskiwania energii, wymiany powietrza przez mikropory oraz emisji światła i przewodzenia. Wiele funkcji spełnianych obecnie przez systemy dodawane do płaszczyzny ściany – widoczne i współtworzące efekt wizualny obiektu, często skomplikowane, narażone na zniszczenia i awarie – mogłyby pełnić powłoki połączone trwale z płaszczyzną szkła (lub innego materiału transparentnego) w jednorodny element o precyzyjnym, możliwym do zaprogramowania, sposobie działania. Jak dotąd idea ta doczekała się jedynie prototypowych realizacji, polegających na wykorzystaniu materiałów typu smart. W przeciwieństwie do znanych dotąd tworzyw, których cechy fizyczne można określić jako stałe (statyczne), mają one zmienną charakterystykę. Są wysoko zaawansowane i zdolne do reagowania na zmianę w otoczeniu – określony impuls zewnętrzny powoduje ich konkretne działanie. Może ono polegać na zmianie danej cechy (np. koloru, stopnia, przezroczystości, kształtu, lepkości czy przewodzenia) lub przemianie jednego rodzaju energii na inny (np. impulsu elektrycznego na światło lub energii mechanicznej na elektryczną)

Grupa tego typu materiałów jest bardzo liczna. Z tego względu wykorzystywane są one coraz szerzej w wielu przemysłach, choć w budownictwie zaistniały na razie w niewielkim stopniu. Zaliczyć można do nich szkła, które zmieniają kolor lub stopień przezroczystości (z ang. switchable glass). Impuls może pochodzić z otoczenia i działać samoistnie, np. jako zmiana temperatury (szkło termotropowe) bądź światła (fotochromowe), lub być sterowany, np. jako impuls elektryczny (elektrochromowe). Do tej grupy należą także termobimetale, zdolne do zmiany kształtu pod wpływem temperatury. Obecnie stosowane są powszechnie w instalacjach grzewczych czy przeciwpożarowych, ale trwają badania nad możliwością ich użycia również w systemach fasadowych. Autorką kilku ciekawych nowatorskich koncepcji jest amerykańska uczona Doris Kim Sung z Uniwersytetu Południowej Kalifornii. Bada ona możliwości budowania na bazie termobimetali ścian, których elementy mogłyby pod wpływem wzrostu temperatury otwierać się, dzięki czemu cała przegroda byłaby przepuszczalna dla powietrza. Następnie wskutek spadku temperatury przegroda wracałaby do stanu pierwotnego. Stworzyła też ideę systemu zacieniającego przeszklenie, składającego się z elementów termobimetalowych. Zakrzywiając się pod wpływem wzrostu temperatury, tworzą one niemal zamkniętą przesłonę, a następnie wracają do pierwotnego – najmniej zacieniającego wnętrze – położenia po jej spadku.

Materiały smart zdolne do przemiany energii z jednego typu na drugi mogą być wykorzystywane do pozyskiwania energii ze źródeł odnawialnych. Do najbardziej znanych należą ogniwa fotowoltaiczne, do mniej popularnych – materiały piezoelektryczne, za pomocą których można przetworzyć energię mechaniczną (np. wiatru, jadących samochodów czy idących ludzi) na prąd. Powszechnie wykorzystuje się także diody LED, emitujące światło pod wpływem impulsu elektrycznego o niewielkim natężeniu. Znajdują one zastosowanie w innowacyjnych systemach fasad medialnych, na powierzchni których możliwa jest projekcja obrazów i filmów.

Pierwszym i jak dotąd jedynym produktem zauważalnie zbliżonym do idei polyvalent wall jest ściana polimerowa SmartWrap opatentowana w Stanach Zjednoczonych przez Kieran Timberlake Associates. Została ona zaprezentowana kilkanaście lat temu w pawilonie demonstracyjnym w Cooper-Hewitt National Design Museum w Nowym Jorku. To giętka polimerowa powłoka, na którą nadrukowane zostały warstwy pełniące określone funkcje, zdolna do aktywnego pozyskiwania energii słonecznej i magazynowania jej (cienkowarstwowe ogniwa PV z bateriami), do emisji światła (diody LED) oraz do kontroli dostępu promieniowania słonecznego (zmiana przezroczystości). Druga umieszczona od wewnątrz powłoka zawiera warstwę z materiałem zmiennofazowym (z ang. change phase materials). Jego działanie polega na pochłanianiu ciepła wskutek wzrostu temperatury (stan skupienia materiału zamkniętego w bardzo małych kapsułkach zmienia się ze stałego w ciekły) i uwalnianiu go po jej spadku (materiał ponownie staje się stały). W ten sposób można przechować nadmiar ciepła wytworzonego we wnętrzu lub pochodzącego ze słońca, by wykorzystać go w chłodniejszym okresie.

Innowacyjność powłoki SmartWrap polega na skupieniu w jednym produkcie wielu funkcji reagowania na impulsy fizyczne z otoczenia. Kilka lat po pierwszej realizacji zastosowano ją w większym obiekcie demonstracyjnym, nazwanym Cellophane House, wzniesionym w Nowym Jorku. Prezentuje on koncepcję prefabrykowanego budynku mieszkalnego z adaptacyjnymi, fasadami bioklimatycznymi.

Fasady bioklimatyczne – trendy i kierunki rozwoju

Bioklimatyczne podejście do projektowania fasad obiektów jest zauważalnym i wciąż rozwijanym trendem. Wiąże się ono z koniecznością dynamicznego działania przegrody i jej adaptowania się do zmiennych warunków. Stosowanie systemów sterowania położeniem i odpowiedni osprzęt elektroniczny pozwalają na niemal bieżące reakcje wielu elementów na zmiany pogodowe. Z reguły są to jednak bardzo drogie rozwiązania, których nie równoważy prosty rachunek zaoszczędzonych za ich pomocą kosztów energii użytkowej budynku. Dodatkowo podatne są na awarie i wymagają konserwacji, gdyż najczęściej elementy ruchome znajdują się po zewnętrznej stronie ściany, przez co oddziaływują na nie wiatr, opady czy zanieczyszczenia.

Z tego względu najczęściej poszukuje się bardziej ekonomicznych rozwiązań, w których racjonalność ukształtowania, przy prostej koncepcji przesuwania większych elementów (np. całych ekranów żaluzjowych, a nie pojedynczych lameli), daje możliwie najwięcej korzyści użytkowych. Podobna zasada dotyczy ścian integrowanych z żywą roślinnością. Drogie, skomplikowane i trudne w utrzymaniu koncepcje należy traktować raczej jako okazję do testów oraz badań w kierunku ich racjonalizacji i upraszczania.

Wydaje się, że dopiero nowa generacja materiałów budowlanych, zdolnych do precyzyjnych i odwracalnych zmian wybranych cech w reakcji na określony impuls, pozwoli myśleć inaczej o fasadach bioklimatycznych. Tylko wtedy tworzenie złożonych systemów opierających się na mechanicznym działaniu elementów stanie się nieracjonalne.

dr hab. inż. arch. Katarzyna Zielonko-Jung