Architektura polega na zachowaniu trzech zasad: trwałości, użyteczności i piękna (Witruwiusz)

Zastosowanie fotowoltaiki w budynku wywiera wpływ na ukształtowanie przestrzenne i plastyczne jego powłoki. W przypadku BiPV (ang. Building Integrated Photovoltaics) związki technologii z architekturą są szczególne, jako że zintegrowane systemy solarne dla efektywnego funkcjonowania wymagają spełnienia konkretnych warunków. Różnorodność opcji materiałowych i kompozycji elementów zapewniają szerokie pole dla działań architektonicznych.

 

 

  

Fot. 1. V-Zug AG, Zug. Fasada budynku łączy utrzymane w podobnej konwencji estetycznej, tego samego kształtu i rozmiaru (1000x4500 mm) szklane panele oraz moduły fotowoltaiczne. Laminaty PV ze szkła bezpiecznego wyprodukowała na specjalne zamówienie firma ERTEX-SOLAR specjalizująca się w modułach dużej powierzchni [fot. ERTEX-SOLAR

 

Widoczność

W zależności od rozwiązania fotowoltaiczna skóra budynku wywołuje u odbiorcy słabsze lub silniejsze wrażenia wizualne. Widoczność generatora PV może być ważnym i pozytywnym elementem kształtującym architekturę, w niektórych wypadkach bywa jednak niepożądana – np. w budynkach zabytkowych o określonych cechach architektonicznych, a także wtedy, gdy zostanie po prostu źle zaprojektowana lub wykonana. Odpowiedni wybór materiałów BiPV oraz sposobu ich integracji sprawia, że system fotowoltaiczny tworzy logiczną, naturalną część architektury i dopełnia całości.

 

Fot. 2. Fabryka modułów SCHEUTEN SOLAR, Gelsenkirchen. Zakrzywiona struktura BiPV stanowi główny element architektury budynku – fasada przechodzi płynnie w dach nad strefą wejściową i administracyjną. Centralną część tworzy pas szklenia, z którym zintegrowano ogniwa fotowoltaiczne. Po jego obu stronach zastosowano aluminiowe panele Kalzip trwale złączone z pasami modułów PV [fot. M. MuszyńskaŁanowy]

 

Fot. 3. BOSCH SOLAR ENERGY, Holzminden. Czarna fasada BiPV z modułów CIS powstała w ramach remontu domu towarowego z lat 70. ubiegłego wieku. Głównym celem było przywrócenie budynkowi walorów estetycznych oraz wykonanie izolacji termicznej ściany kurtynowej. Moduły PV (prod. JOHANNA SOLAR TECHNOLOGY) nachylono pod kątem 10º dla lepszych zysków energetycznych. Wolne przestrzenie między elementami przykryto perforowanymi blachami aluminiowymi dla umożliwienia wentylacji fasady [fot. www.energie-und-technik.de]

 


Włączenie fotowoltaiki do określonego projektu lub charakterystycznego wizerunku architektonicznego prowadzi do osiągnięcia różnych rezultatów. Dobrze wkomponowana w architekturę, „bezszwowa” integracja nie rzuca się specjalnie w oczy, tym bardziej, gdy użyte materiały BiPV, dostosowane pod względem koloru, faktury, kształtu i wielkości, pozostają w harmonii z innymi elementami powłoki (fot. 1).

 

Czasami, z pewnej odległości instalacja solarna jest wręcz niezauważalna.

 

Mniej lub bardziej widoczny system BiPV może dobrze współgrać z kontekstem, ale nie dominować lub wręcz przeciwnie – zdeterminować cały obraz budynku (fot. 2). Różnorodność materiałów i sposobów integracji modułów PV pozwala projektantom odpowiednio ukryć je lub wyróżnić.

 

Przykładowo, szkło fotowoltaiczne zintegrowane z typowym systemem fasady słupowo-ryglowej będzie mniej zwracało uwagę niż zamontowane na zewnątrz ruchome, przeciwsłoneczne lamele BiPV.

 

Ciemnoniebieskie moduły z krzemowymi ogniwami polikrystalicznymi, ze względu na charakterystyczną „migoczącą” w słońcu strukturę kryształów, silniej wyróżnią się w elewacji niż bardziej jednolite pod względem kolorystycznym czarnobrunatne materiały z krzemu amorficznego a-Si.

 

Z kolei coraz bardziej powszechne i uznawane za „eleganckie” cienkowarstwowe moduły z selenku indowo-miedziowego CIS/CIGS (fot. 3) są z pewnej odległości w zasadzie nie do odróżnienia od czarnego szkła budowlanego [3].

 

Zupełnie różne efekty wizualne związane są z oświetleniem instalacji BiPV. Dotyczy to przede wszystkim modułów semitransparentnych, które ujawniają swoją strukturę w zależności od miejsca obserwacji i kierunku głównego oświetlenia.

 

Wzornikowane laserem materiały cienkowarstwowe pozwalają uzyskać bardziej dyskretne wrażenia optyczne (fot. 4) niż szkło zintegrowane z rozsuniętymi ogniwami krystalicznymi, które tworzy charakterystyczną szachownicę światła i cienia.

 

W wielu obiektach instalacja fotowoltaiczna specjalnie projektowana jest w taki sposób, aby przyciągać wzrok i wzbudzać zainteresowanie.

W budynkach o charakterze komercyjnym czy industrialnym wynika to przede wszystkim z potrzeb marketingowych lub ze względów edukacyjno-informacyjnych. Obok prezentacji najnowszych osiągnięć techniki solarnej i budowlanej jest to  jednocześnie demonstracja zaangażowania w kwestie związane z ochroną środowiska, podążania za postępem technologicznym. Wraz z postępującą modą na ekologię interesujące wizualnie instalacje fotowoltaiczne stają się skuteczną reklamą dla każdego inwestora (fot. 5).

 

Coraz większa różnorodność produktów BiPV oraz malejące ograniczenia techniczne stymulują projektantów do dalszej kreatywności, niektórzy z nich próbują więc wyróżnić się czymś szczególnym. Z drugiej strony można zauważyć, iż rynek materiałów BiPV kieruje się wyraźnie w stronę standaryzacji i ujednolicenia rozwiązań, co prowadzi do kształtowania solarnej architektury na podobieństwo znanych, konwencjonalnych struktur. Z tego względu np. szklane moduły PV produkowane są w kształtach, rozmiarach i kolorach na podobieństwo typowego szkła budowlanego.

 

Niezależnie od podejścia i rezultatu widoczne jest, iż moduły PV przestają być czysto technicznym elementem, „niezgrabnym” dodatkiem do budynku. Poprawnym środowiskowo, efektywnym energetycznie, ale nieestetycznym i nieinteresującym architektonicznie. Zamiast ukrywać fotowoltaikę na dachach, znani projektanci coraz częściej integrują ją z elewacjami budynków, podkreślając jako ważny element swoich projektów.

 

Systemy zintegrowane z fasadami są najbardziej widoczne (w przypadku szklanych konstrukcji – nawet z obu stron), dlatego estetyczne wymagania dla tego typu instalacji są bardzo wysokie.

 

Dodatkowym wyzwaniem jest w tym wypadku takie rozmieszczenie elementów systemu elektrycznego (okablowania, falowników, itd.), aby były one w miarę możliwości ukryte, przy czym jednocześnie efektywnie spełniały swoje zadanie i zapewniały bezpieczeństwo użytkownikom. Zazwyczaj przewody ukrywa się więc w profilach konstrukcyjnych, pod listwami maskującymi itp.

 

Kompozycja przestrzenna
Potrzeba maksymalizacji zysków z promieniowania słonecznego dla konwersji fotowoltaicznej wpływa na cechy przestrzenne budynku i jego powłoki.

Korzystne ustawienie modułów PV względem słońca wiąże się z ich odpowiednią orientacją i nachyleniem oraz z takim ukształtowaniem struktury, aby nic nie zacieniało powierzchni aktywnej.

 

W praktyce może się to objawiać np. specjalnie wydłużoną lub nachyloną, silnie wyeksponowaną elewacją południową.

 

 

Fot. 4. Smart SolarFab®, Alzenau. Fasadę BiPV wykonano w systemie słupowo-ryglowym Schüco z wypełnieniem w postaci szklanych modułów PV. Semitransparentne ogniwa z krzemu amorficznego ASI-THRU® zintegrowano ze szkłem izolacyjnym Voltarlux® [fot. RWE SCHOTT SOLAR]

 

Fot. 5. Dom mody ZARA, Kolonia. Wedle koncepcji architekta zamiast marmurowej okładziny elewacji inwestor wybrał ciemnoniebieskie, połyskujące panele z polikrystalicznych ogniw krzemowych. Instalacja BiPV zwraca uwagę przechodniów i klientów, pokazuje możliwości wykorzystania techniki solarnej [fot. SOLON AG]

 

Przestrzenny charakter powłoki BiPV zależy od sposobu integracji modułów fotowoltaicznych.

Gdy zastępują one konwencjonalne komponenty struktury (np. okładzinę wentylowanej fasady) lub są z nimi trwale połączone, efekt będzie zupełnie inny, niż kiedy doda się coś do już istniejącej konstrukcji (fot. 6). Moduły PV montuje się w płaszczyźnie zewnętrznej przegrody (fot. 7) lub w oddaleniu od niej, co wpływa na jej ostateczną grubość, kształt i formę.

 

Najbardziej „rozrzeźbione” formy przestrzenne powstają w wyniku zamocowania paneli fotowoltaicznych w pewnej odległości od skóry budynku, równolegle lub pod innym kątem (fot. 3, 8). Dotyczy to szczególnie różnego rodzaju struktur specjalnych dodawanych do powłoki, tj. zadaszeń, żaluzji, ekranów, itp. (fot. 9), tym bardziej jeśli są one ruchome.

 

Nowoczesne materiały BiPV funkcjonują nawet w gorszych warunkach nasłonecznienia, dlatego mogą tworzyć integralny element zarówno typowej wertykalnej fasady, horyzontalnego pokrycia dachowego, jak i różnego typu struktury nachylonej a nawet zakrzywionej. Wysoko efektywne w pozyskiwaniu energii solarnej (zarówno w sposób pasywny jak i aktywny) pochylone fasady BiPV są często ze względów estetycznych projektowane w strefie wejściowej, najbardziej reprezentacyjnej, jako charakterystyczny element architektoniczny. W niektórych nowoczesnych realizacjach zatracony zostaje tradycyjny podział na elewacje i dach, budynek pokrywa wówczas jedna wielofunkcyjna fotowoltaiczna skóra (fot. 2, 10).

 

Szczególne możliwości dla kształtowania formy architektonicznej pojawiły się wraz z rozwojem technologii giętkich laminatów cienkowarstwowych, które można osadzać na powierzchniach każdego kształtu, także wklęsłych lub wypukłych.

 

Zmiana krzywizny w płaszczyźnie elewacji, zadaszenia czy innego elementu BiPV stanowi pewne utrudnienie ze względu na różny kąt padania promieni słonecznych na poszczególne moduły PV, jednak tego typu konstrukcje także są z powodzeniem realizowane.

 

Układ elementów
Charakterystyczną, widoczną cechą systemu fotowoltaicznego jest modularność. Instalacja BiPV jest niczym kolaż powtarzających się w rytmicznym układzie elementów. W zależności od odległości i miejsca, które zajmuje obserwator, jej odbiór wizualny będzie różny. Z daleka bardziej homogeniczna z bliska ukazuje więcej szczegółów – panele fotowoltaiczne składają się z modułów, które z kolei zbudowane są z fotoogniw [1].

 

Fot. 6. Budynek socjalny, Köln-Bocklemünd. Demonstracyjny projekt powstał w ramach remontu „50 osiedli mieszkaniowych z energią słoneczną w Nadrenii Północnej-Westfalii”. Moduły fotowoltaiczne w trzech kolorach: czerwonym, zielonym i niebieskim zintegrowano z fasadą budynku [fot. ECOFYS Germany GmbH, www.pvdatabase.org/]

 

Fot. 7. Budynek zeroenergetyczny, Tübingen. Na elewacji południowej i zachodniej połączono tradycyjne materiały, takie jak drewno i szkło, z dwoma rodzajami materiałów solarnych. Firma SUNWAYS wyprodukowała na specjalne zamówienie szklane moduły z wysoko wydajnymi ogniwami mono- i polikrystalicznymi [fot. SUNWAYS]

 

Fot. 8. Budynek firmy FISCHER, Waldachtal. Pochylona struktura BiPV z modułów krystalicznych tworzy interesująca kompozycję przestrzenną [fot. www.solarintegration.de]

 

Wygląd całości uzależniony jest od odpowiedniej kompozycji modułów i doboru poszczególnych ich komponentów.

Dziś obok standardowych rozwiązań na zamówienie wytwarzane są materiały spełniające rozmaite wymagania architektów czy inwestorów. Mają oni do dyspozycji elementy różnej budowy, wielkości, kształtu, koloru [3].

 

Połączone ze sobą, powtarzalne elementy BiPV tworzą mniej lub bardziej zwarte kompozycje pokrywające płaszczyzny rozmaitych kształtów i wielkości - od pojedynczych paneli okładzin (fot. 1), okien, żaluzji przeciwsłonecznych, pasów między okiennych (fot. 7), po całe pokrycia dachowe i fasadowe (fot. 11, 12). Ograniczeniem jest wyłącznie odpowiednia powierzchnia skóry budynku spełniająca wymagania techniczne niezbędne dla sprawnego i efektywnego funkcjonowania systemu fotowoltaicznego [2].

 

Istnieją nieograniczone wręcz możliwości kompozycyjne (fot. 6, 7), jeśli chodzi o układ elementów BiPV – ich wielkość, odległości od siebie, nachylenie, zestawienie różnych kształtów, materiałów, kolorów, itd. Ułożone horyzontalnie lub wertykalnie, przylegające do siebie moduły PV tworzą statyczną kompozycję. Z kolei nachylone pod różnym kątem, obrócone lub rozsunięte nadają powłoce BiPV znacznie bardziej dynamiczny charakter.

 

Fot. 9. Fabryka Würth Solar, Schwäbisch-Hall. Czarne moduły CIS zintegrowano ze strukturą zadaszenia. Dla lepszych zysków energetycznych fotowoltaiczne panele nachylono pod kątem w stosunku do fasady [fot. www.kraehe-woehr.de]

 

Fot. 10. Novartis-Campus, Bazylea. Fragmenty szklanej powłoki budynku zaprojektowanego przez Franka O’Gehry zintegrowano z modułami fotowoltaicznymi [fot. www.badische-zeitung.de/]

 

Ze względu na kwestię efektywności energetycznej i skrócenie okablowania elektrycznego, układ modułów PV jest zazwyczaj w miarę zwarty, choć odległości pomiędzy nimi można różnie kształtować (fot. 13). Rezultatem są mniej lub bardziej jednolite i monotonne kompozycje.

 

Rytmiczny układ jest jedną z charakterystycznych cech wizualnego aspektu instalacji fotowoltaicznej zintegrowanej z budynkiem (fot. 12).

 

Zestawienie typowych modułów PV z metalowym obramowaniem tworzy widoczną, charakterystyczną siatkę, która może być zamierzonym elementem kształtującym estetykę, w niektórych wypadkach będzie ją natomiast zaburzać. Regularny, geometryczny układ pionów i poziomów można w pewnym stopniu ukryć poprzez zastosowanie bezramowych szklanych laminatów PV, które nadają  powłoce lekkości i ujednolicają jej wygląd. M.in. z tego powodu cieszą się one dużą popularnością wśród architektów.

 

Moduły PV tworzą też rozmaite kompozycje z tradycyjnymi materiałami budowlanymi znajdującymi się w ich sąsiedztwie (fot. 5, 11). Mogą wyróżniać się kolorem, strukturą, wielkością, kształtem, ułożeniem. Kontrastowe zestawienia dodatkowo podkreślają obecność nowoczesnej instalacji solarnej (fot. 7). W innych realizacjach jest wręcz przeciwnie, poszczególne elementy dopasowane są kształtem, wielkością, strukturą, itp. W takich wypadkach, na zamówienie wytwarza się moduły PV o konkretnych cechach lub na odwrót – do wybranych elementów instalacji solarnej dobierane są parametry konwencjonalnych materiałów.

 

Niektóre systemy fasadowe, takie jak ALUHIT Wyss AG, Sj-Fassadensysteme czy Voltarlux PV-F-Typ, umożliwiają wymienne stosowanie konwencjonalnych paneli (szklanych, metalowych, z tworzyw sztucznych itd.) oraz modułów fotowoltaicznych (fot. 11). Bez dodatkowych kosztów i konieczności dopasowywania elementów mocujących można łatwo modyfikować kompozycję elewacji.

 

Fot. 11. GLASWERKE ARNOLD GmbH + Co. KG, Merkendorf. System fasady wentylowanej Voltarlux PV-F-Typ – kompozycja ze szklanych laminatów z cienkowarstwowymi ogniwami amorficznymi (a-Si) i paneli z zielonego szkła [fot. GLASWERKE ARNOLD GmbH + Co. KG]

 

Fot. 12. Fabryka Isofotón, Malaga. Charakterystyczny, regularny i rytmiczny układ elementów BiPV na elewacji. W roli okładziny wentylowanej użyto specjalnie wyprodukowane moduły laminowane na podłożu ceramicznym, przeszklone fragmenty wykonano w konstrukcji podwójnej fasady kurtynowej [fot. Isofotón]

 

Zróżnicowanie właściwości poszczególnych produktów BiPV stanowi ogromną zaletę technologii – rozmaite materiały, kształty, wielkość, giętkość i inne cechy, pozwalają tworzyć niezliczoną ilość kombinacji. Poprzez odpowiedni układ, dobór materiałów i kolorystyki powstają nawet wzory, napisy, obrazy (fot. 14).

 

Dalsze możliwości kształtowania estetyki wiążą się ze zróżnicowaną budową poszczególnych modułów PV. Niektóre z realizacji BiPV to istne dzieła sztuki, w których kwestie wizualne pełnią główną rolę (fot. 15). Indywidualne efekty plastyczne tworzone są zarówno z wykorzystaniem typowych produktów BiPV, jak i nowatorskich materiałów, wytwarzanych specjalnie dla konkretnego projektu.

 

Przykładowo, standardowo prostokątne moduły na zamówienie wykonywane są w każdym w zasadzie kształcie geometrycznym. W razie potrzeby ogniwa są przycinane lub układane w odpowiedni sposób na ich powierzchni, a niejednokrotnie ze względów czysto estetycznych instaluje się po prostu moduły nieaktywne. Krzemowe ogniwa krystaliczne produkowane w rozmaitych kształtach i wielkościach, można zestawiać w różnych układach i odległościach od siebie oraz od rantu modułu.

 

Produkowane z rolki cienkowarstwowe laminaty można ciąć na wymiar, a dzięki giętkości osadzać na powierzchniach różnego kształtu.

Jeżeli fotowoltaika ma być wykorzystywana w architekturze na znacznie większą skalę, niż dotychczas, musi wzbudzać zainteresowanie zarówno projektantów jak i inwestorów. Z pewnością więc jakość i różnorodność produktów BiPV oraz możliwości ich wykorzystania muszą być stale poszerzane i optymalizowane.

 

Fot. 13. Centrum Kultury Prøvehallen, Ovnhallen. W ramach renowacji budynku z lat 30. ubiegłego wieku na południowej ścianie zamontowano moduły fotowoltaiczne. Charakterystyczny sposób montażu i nieuporządkowana wizualnie kompozycja elementów przyciągają uwagę zarówno w ciągu dnia jak i nocą [fot. www.buildup.eu]

 

Fot. 14. Wienstrom, Wiedeń. Moduły fotowoltaiczne tworzą obraz słońca na elewacji wiedeńskiej elektrowni [fot. ERTEX SOLAR]

 

Fot. 15. Pearl Avenue Branch Library, San Jose. Artystyczna instalacja łącząca możliwości szkła i materiałów solarnych powstała w wyniku współpracy Lynn Goodpasture i Peters Glass Studies. Fragment fasady tworzą 4 tafle szkła float, z którymi zintegrowano fotoogniwa. Dodatkowo wykorzystano technikę aerografii dla umieszczenia na szkle różnych warstw koloru oraz liter i znaków z różnych alfabetów, m.in. wietnamskiego, łacińskiego. [Fot. http://img.geocaching.com]

 

Zmienność
Zdecydowana większość instalacji BiPV jest nieruchoma, ale montowane na powłokach struktury specjalne, takie jak sterowane automatycznie żaluzje czy brise-soleil będą zmieniały w czasie swoje położenie tworząc dynamiczne efekty wizualne. Dodatkowy efekt plastyczny można uzyskać poprzez użycie na szkle holograficznych powłok, które rozpraszają światło w spektralne kolory – wrażenia odbierane przez obserwatora będą zmieniały się w zależności od natężenia oświetlenia, jego kierunku oraz pozycji.

 

Zmienność wrażeń optycznych zapewniają też materiały częściowo transparentne. Zupełnie inaczej będą one odbierane przez obserwatora w zależności od jego pozycji oraz głównego oświetlenia.

 

W ciągu dnia szklane fasady, świetliki i inne elementy zintegrowane z ogniwami z zewnątrz wyglądają dość jednolicie, z kolei nocą, przy sztucznym oświetleniu, ujawniają wyraźnie swoją strukturę.

 

W przypadku ogniw krzemowych, które rozsuwa się na większe odległości od siebie, w ciągu dnia wraz ze zmianą natężenia promieniowania słonecznego we wnętrzu powstaje charakterystyczna gra światła i cienia. Efekt ten architekci wykorzystują często jako ważny element kształtowania estetyki wnętrza, np. w hallach wejściowych, strefach rekreacyjnych itd.

 

Podsumowanie
Obok podstawowej funkcji, jaką jest generowanie czystej energii elektrycznej, elementy generatora fotowoltaicznego można z powodzeniem wykorzystać w kreowaniu estetyki współczesnych budynków. Nieustannie rozwijająca się technologia BiPV posiada wyjątkowy potencjał wizualnej ekspresji.

Dla architektów estetyka solarnej technologii jest szczególnie ważna, często nawet bardziej niż kwestie funkcjonalne i techniczne. Coraz większa różnorodność produktów i malejące ograniczenia techniczne powinny stymulować projektantów do kreatywności, a inwestorów zachęcać do realizacji indywidualnych, nowatorskich rozwiązań. W większości dotychczasowych realizacji powłok BiPV powtarzają się jednak znane formy i rozwiązania.

 

Tak jak w przypadku każdej innowacji, znalezienie dla niej odpowiedniej ekspresji, wyrazu, stylistyki z pewnością nie nastąpi od razu. Zmiana jest procesem stopniowym, ewoluującym. Nowe pomysły są jednak potrzebne, a dalszy postęp być może doprowadzi do wytworzenia zupełnie nowej, specyficznej estetyki. Atrakcyjne realizacje wzbudzają zainteresowanie, wzmacniają akceptację dla solarnej technologii, inspirują innych.

Dlatego estetyka jest szczególnie ważna dla dalszego rozwoju zarówno fotowoltaiki jak i współczesnej architektury.

 

Magdalena Muszyńska-Łanowy

 

Bibliografia:
[1] Hagemann I. B., Gebäudeintegrierte Photovoltaik. Architektonische Inte gration der Photovoltaik in die Gebäudehülle, Müller, Köln 2002
[2] Muszyńska-Łanowy M., BiPV – fotowoltaika zintegrowana z budynkiem, „Świat Szkła” 5/2010
[3] Muszyńska-Łanowy M., Fotowoltaika w kolorze, „Świat Szkła” 4/2011
[4] Prasad D., Snow M. (eds.), Designing with solar power. A Source Book for Building Integrated Photovoltaics (BIPV), Images Publishing, Mulgrave, Earth scan, London, Sterling 2005
[5] Reijenga T., PV in Architecture, in: Hegedus S., Luque A. (eds.), Handbook of Photovoltaics Engineering, John Wiley&Sons, New York 2002
[6] Wines J., Green Architecture, Taschen, Köln 2000
[7] http://www.interiordesign.net
[8] http://www.ertex-solar.at
[9] http://www.pvdatabase.org

 

Całość artykułu w wydaniu drukowanym i elektronicznym 

 

inne artykuły o podobnej tematyce patrz Serwisy Tematyczne

 

więcej informacj: Świat Szkła 9/2011

  • Logo - alu
  • Logo aw
  • Logo - fenzi
  • Logo - glass serwis
  • Logo - lisec
  • Logo - mc diam
  • Logo - polflam
  • Logo - saint gobain
  • Logo termo
  • Logo - swiss
  • Logo - guardian
  • Logo - forel
  • vitrintec wall solutions logo

Copyright © Świat Szkła - Wszelkie prawa zastrzeżone.