Współczesna architektura charakteryzuje się dużym wykorzystaniem szkła na powierzchniach elewacyjnych. Z punktu widzenia dążenia do ograniczenia zapotrzebowania budynków na energię oraz zapewnienia optymalnych warunków mikroklimatycznych we wnętrzach, duże przeszklenia elewacji to element wymagający szczególnej uwagi podczas projektowania.

 

Priorytety energetyczne i ich wpływ na projekt budynku

Duże przeszklenia z jednej strony dają możliwości pozyskiwania energii cieplnej ze słońca w sposób pasywny oraz oświetlania wnętrz światłem naturalnym. Z drugiej jednak osłabiają termoizolacyjność budynku (szczególnie gdy budżet nie pozwala na wybór „najcieplejszych” systemów, a jedynie tych wymaganych przepisami) oraz stwarzają niebezpieczeństwo przegrzewania wnętrz w porach gorących. Ten drugi problem jest szczególnie dotkliwy w strefach intensywnej zabudowy miejskiej. Zjawisko tzw. „miejskiej wyspy ciepła” powoduje, że temperatura latem w śródmieściach jest o kilka stopni wyższa niż na terenach obrzeżnych. Nie występuje także charakterystyczna dla terenów otwartych różnica między temperaturą dnia i nocy, która zwykle pozwala na wychładzanie przegrzanych latem wnętrz w rytmie dobowym. O skali tego problemu świadczy ilość klimatyzatorów, które montowane są na elewacjach indywidualnie przez użytkowników mieszkań w domach wielorodzinnych.

 

W strefie klimatu umiarkowanego konieczne jest uwzględnienie dwóch – zdawałaby się sprzecznych – celów: ochrony przez niskimi temperaturami w okresie zimy oraz w porach przejściowych i ochrony przed wysokimi temperaturami latem. Choć głównym wyzwaniem jest ogrzewanie budynków, to ochrona przed nadmiarem słońca, konieczna przez około 1/4 roku, także wymaga rozwiązania. Szczególnie narażone na przegrzewanie są pomieszczenia przylegające do elewacji południowych oraz zachodnich. Elewacje wschodnie, choć otrzymują podobną dawkę promieniowania słonecznego jak zachodnie, stwarzają mniejszy problem, gdyż słońce dociera przez nie rano, gdy wnętrze jest mniej nagrzane niż po południu.

W przypadku elewacji południowych korzystna jest zatem ochrona przeszkleń przed letnim, tzw. wysokim promieniowaniem. Promieniowanie niskie, charakterystyczne dla zimy i pór przejściowych powinno wnikać do wnętrza, gdyż może znacząco poprawić charakterystykę termiczną i świetlną wnętrza. Elewacje zachodnie, a w dalszej kolejności wschodnie wymagają ochrony przed niskim promieniowaniem, jednak jedynie latem. Elewacji północnych nie trzeba w ogóle chronić przed słońcem, a głównym wskazaniem jest minimalizacja ich powierzchni i projektowanych przeszkleń.

Specyfika warunków nasłonecznienia w danej lokalizacji i wynikający z niej problem ochrony przed słońcem latem bez utraty możliwości czerpania ciepła z niego zimą, często są pomijane w początkowej fazie projektu. Skutkuje to koniecznością bazowania na instalacjach mechanicznych, by osiągnąć odpowiednie warunki mikroklimatyczne we wnętrzach. Tymczasem istnieje wiele możliwości uniknięcia lub zminimalizowania zjawiska przegrzewania i prześwietlania bez utraty możliwości czerpania energii ze słońca.

Wiele decyzji podejmowanych na różnych etapach projektowania ma wpływ na proces przepływu energii słonecznej między wnętrzem a otoczeniem. Jedną z pierwszych jest układ przestrzenny budynku i jego orientacja względem stron świata. Wynika z niej, w jaki sposób słońce działa na poszczególne elewacje i które obszary wymagają ochrony. Ogromne znaczenie ma także wielkość przeszkleń na poszczególnych elewacjach. Istotne są także rozwiązania funkcjonalne (np. wielkość i rozkład pomieszczeń), materiałowe (np. pojemność cieplna przegród) oraz możliwości naturalnego wentylowania wnętrza. Znaczenie ma także otoczenie budynku: zieleń wysoka i niska, zbiorniki wodne i rodzaj podłoża. Przedmiotem tego artykułu jest zagadnienie kształtowania elewacji budynku, które wraz z innymi wymienionymi wyżej, daje możliwość regulowania dostępu promieniowania słonecznego do wnętrz.

 

2014-04-19-1

Fot. 1. Efekt cienia uzyskany poprzez uskoki i załamania płaszczyzny elewacji, okna umieszczone w wykuszach osłoniętych dodatkową warstwą szklenia; budynek biurowy w Berlinie (proj. F. Gehry, fot. K.Zielonko-Jung)

 

Forma budynku

Jednym z kryterium optymalizacji formy budynku powinno być uzyskanie możliwie korzystnych warunków nasłonecznienia. W polskich warunkach klimatycznych dobrze jest, gdy duża część elewacji ma ekspozycję południową, jednak należy dążyć co tego, by kształt ścian intensywnie nasłonecznionych ograniczał promieniowanie podczas pór gorących. Pionowa płaszczyzna ściany częściowo sama w sobie stanowi takie ograniczenie, gdyż nie tworzy kąta prostego z kierunkiem promieni południowego słońca latem. Płaszczyzny odchylone od pionu, „otwierające” wnętrze budynku w kierunku nieba, przyjmują większe dawki promieniowania. Takie rozwiązania są korzystne, gdy budynek nastawiony jest na maksymalizowanie pasywnych i aktywnych zysków słonecznych (np. przez ściany słoneczne, ogniwa fotowoltaiczne) lub gdy proporcje szerokości ulicy względem wysokości zabudowy, powodują zacienienie ulicy przez większą część dnia. W tych przypadkach, a szczególnie w pierwszym, niezbędne jest wprowadzenie zewnętrznych systemów przeciwsłonecznych.

 

(...)

 

Efekt odwrotny, czyli ucieczki od słońca, daje pochylenie ściany w przeciwnym kierunku (fot. 1). Gdy przeszklona elewacja budynku jest intensywnie nasłoneczniona, a możliwości jej ochrony przeciwsłonecznej ograniczone (np. brak zieleni wysokiej i powierzchni biologicznie czynnej w pobliżu elewacji), jej odchylenie „od słońca” może być uzasadnione. Szczególnie, gdy budynek charakteryzuje się dużym obciążeniem termicznym (np. budynki biurowe, sportowe, produkcyjne).

 

 

2014-04-20-1

Rys. 1. Przekrój pionowy przez budynek mieszkalny w dzielnicy Solar City w Linz-Pichling w Austrii, ze schematem działania bioklimatycznego południowego traktu; elewacja południowa uformowana z uwzględnieniem optymalnego wykorzystania energii słońca w porach chłodnych i przejściowych oraz ochrony przeciwsłonecznej w porach gorących (1); promieniowanie przedostające się porach chłodnych do wnętrza jest magazynowane w murowanych ścianach wewnętrznych i podokiennych (2) i wypromieniowywane do pomieszczeń; ciepłe powietrze wyprowadzane jest kanałem wentylacyjnym (3, ogrzana ściana zwiększa prędkość powietrza), na dachu kolektory słoneczne do podgrzewania wody (4) i rekuperator (5) (wg T. Herzoga, na podstawie szkicu pracowni Foster&Parters)

 


Ciekawym przykładem elewacji, która maksymalnie otwiera się na zyski słoneczne, a jednocześnie chroni wnętrze przed nadmiarem promieniowania latem, jest rozwiązanie ściany południowej budynku mieszkalnego osiedla Solar City w Linz-Pichling w Austrii (proj. Foster & Partners). Ścianę podzielono co kondygnację na pasy, które pochylone są ku górze tak, by zwiększyć powierzchnię insolacji w porach zimnych i przejściowych, latem następuje zaś samozacienianie (rys. 1).


Przydatnym narzędziem kształtowania budynków, możliwie najpełniej wykorzystujących energię słoneczną, moga okazać się metody projektowania parametrycznego. Polegają one na wykorzystywaniu algorytmów matematycznych do tworzenia form przestrzennych. Początkowo ta metoda projektowania miała wymiar jedynie teoretyczny i głównie dostarczała inspiracji w zakresie formowania przestrzeni w nowe, nieznane dotąd, krzywoliniowe układy geometryczne. Z czasem zaczęła wnikać w praktykę projektową jako metoda optymalizowania elementów użytkowych, takich jak konstrukcja (np. eliminacji najbardziej obciążanych elementów w złożonych ustrojach), czy układ funkcjonalny (np. formowanie układów komunikacji wg przepływów ludzi).


Z czasem pojawia się coraz więcej realizacji, w których projektowanie parametryczne ukierunkowane jest na optymalizację mikroklimatu wnętrz i zużycia energii. Jako przykłady posłużyć mogą 2 znane londyńskie budynki zaprojektowane przez Foster & Partners – wieżowiec Swiss RE i nowy ratusz nad Tamizą.


W obu przypadkach posłużono się programem Generative Components firmy Bentley. Pomógł on wykreować formę budynków tak, by możliwie najbardziej efektywnie wykorzystać ich powierzchnię, a jednocześnie zapewnić najlepsze warunki użytkowania (oświetlenie, wietrzenie, akustyka), przy maksymalnym udziale naturalnych czynników klimatycznych.

 

 

2014-04-20-2

Rys. 2. Zmiany zakresu powierzchni zacienianej na elewacji południowej w zależności od wysięgu elementu zacieniającego. Jako kąt padania promieniowania letniego przyjęto 60°, zimowego 30° (opracowanie własne)

 


Profil elewacji budynku
Cechą charakterystyczną budynków energooszczędnych jest zwartość formy, dzięki której ogranicza się straty ciepła przez przegrody zewnętrzne. Unikać należy rozczłonkowanych form. Są one niekorzystne ze względu na współczynnik kształtu A/V oraz więcej jest w nich stref, w których trudniej zagwarantować szczelność termiczną obudowy. Jedynym racjonalnym ze względu na energooszczędność wskazaniem do wzbogacania formy budynku jest „rozrzeźbienie” elewacji budynku tak, by zoptymalizować przepływ energii słonecznej. Dotyczy to przede wszystkim elewacji o orientacji południowej lub zbliżonej. Elementy architektoniczne, takie jak: balkony, loggie, daszki, wysunięte gzymsy czy okapy dachów, pełnią wówczas rolę zacieniającą. Tworzą one tzw. profil elewacji budynku. Umiejętnie uformowany profil elewacji południowej może uchronić ją przed koniecznością wprowadzania dodatkowych zewnętrznych systemów zacieniających na powierzchnie przeszklone.


To metoda charakterystyczna dla budownictwa klimatów gorących, gdzie szerokie balkony i zewnętrzne galerie osłaniają cofniętą ścianę elewacyjną głębokim światłocieniem niemal na całym obwodzie budynków.


W naszym klimacie elementy tego rodzaju umieszcza się jedynie na najbardziej nasłonecznionych fragmentach obwodu, a ich głębokość powinna być relatywnie mniejsza by pozwolić na penetrację niższego promieniowania. Rys. 2 przedstawia różne warianty umiejscowienia elementu architektonicznego pełniącego rolę zacieniającą.

 

2014-04-20-3

Rys. 3. Zależność skuteczności zacieniania od głębokości elementu zacieniającego (wg H. Mullera i H. Schustera)


Najkorzystniejsza jest sytuacja, gdy w ciągu lata, w godzinach najintensywniejszej insolacji (np. od 10-14) powierzchnie przeszklone są całkowicie zacienione, a zimą i w porach przejściowych nic nie blokuje promieniowania słonecznego. Skuteczność poszczególnych rozwiązań zależy od doboru optymalnej relacji między wysięgiem elementu, jego położenia względem okna i wymiarów okna.

 

Mocno wysunięty okap dachu (ok. 90 cm) może zacienić standardowe okno, ale pod warunkiem, że jest umiejscowiony mniej więcej na wysokości stropu. W przypadku wprowadzenia ścianki kolankowej na poddaszu i podniesienia okapu w stosunku do linii okien, jego efektywność ochrony wnętrza przed słońcem jest znacznie mniejsza. Balkon lub loggia zacienia wysokie przeszklenie (do podłogi), ale jego wysięg nie może być zbyt duży. Przekroczenie głębokości balkonu rzędu 160-180 cm grozi zbyt dużym, jak na nasz klimat, zacienieniem wnętrza zimą i w porach przejściowych. Także powierzchnia balkonu może okazać się zbyt zacieniona latem.


H. Muller i H. Schuster opublikowali wyniki badań dotyczących dostępności pomieszczeń dla promieniowania słonecznego w zależności od głębokości elementu zacieniającego na wysokości stropu (daszek lub balkon). Wynika z nich, że skuteczne zacienianie można uzyskać, gdy głębokość ta waha się między równowartością wysokości okna i jej połową (rys. 3).

 

W przypadku elewacji wschodnich i zachodnich opisane wyżej metody kształtowania profilu elewacyjnego nie chronią wnętrz przed nadmiarem słońca, ponieważ nie stanowią przeszkody dla intensywnego, niskiego promieniowania latem. Zacienianie przeszkleń takich elewacji jest bardzo trudne, gdyż żadne elementy o stałym położeniu nie spełnią tego zadania we właściwy sposób. Po pierwsze, by wypełnić swoją rolę, muszą być usytuowane na poziomie okna a nie ponad nim, co wyraźnie zakłóca ciągłość widokową między wnętrzem a otoczeniem. Po drugie niemożliwe jest, jak w przypadku elewacji południowych, ograniczenie okresu zacieniania do pór gorących.

 

2014-04-21-1

Rys. 4. Wizualizacja budynku wielorodzinnego w Warszawie realizowanego w ramach projektu badawczego Miejski Budynek Jutra 2030 (proj. Galicki Sypniewski Architekci); fragment elewacji południowo-zachodniej. Rolę zacieniającą pełnią balkony oraz suwane okiennice w formie żaluzjowych paneli

 

 

Ściany zachodnie (w uzasadnionych przypadkach także wschodnie) powinny być zatem chronione dodatkowymi, zewnętrznymi systemami przeciwsłonecznymi, pozwalającymi na zmianę położenia elementów. Skuteczne mogą sie okazać markizy, ruchome żaluzje, rolety lub okiennice (np. suwane z wypełnieniem żaluzjowym).


Elewacje południowo-zachodnie i południowowschodnie wymagają starannego doboru rozwiązań. Powinny stanowić dobrze przemyślaną i popartą analizami nasłonecznienia, kombinację opisanych wyżej rozwiązań – stałych elementów poziomych o niezbyt dużym wysięgu ze skośnymi lub pionowymi, najlepiej o ruchomym położeniu.


Na przykład dla budynku wielorodzinnego o tak zorientowanych elewacjach uzasadnione może być zastosowanie pasów balkonów z suwanymi panelami żaluzjowymi. Takie rozwiązanie przyjęto w budynku pokazanym na rys. 4, zlokalizowanym na rogu ulic Krasińskiego i Burakowskiej w Warszawie. Jego projekt i wzniesienie (aktualnie jest w budowie) jest wspierane przez program badawczy Miejski Budynek Jutra 2030, którym kieruje firma Mostostal Warszawa.

 

 

2014-04-21-2

Rys. 5. System przeciwsłoneczny i transportujący światło w budynku DUO w Groningen w Holandii (proj. UNStudio).; u góry - schemat obrazujący zasadę działania, czyli odbijania na zewnątrz promieniowania letniego i do wewnątrz zimowego; o dołu – profil elementu w zależności od orientacji ściany elewacyjnej: na elewacji północnej (po lewej), wschodniej i zachodniej (po środku), południowej (po prawej) (wg materiałów udostępnionych przez UNStudio)


Uwzględnienie opisanych tu założeń w zakresie ochrony przeciwsłonecznej przeszkleń wiąże się z różnicowaniem rozwiązań na poszczególnych elewacjach.


Inne warunki nasłonecznienia wymuszają inne metody kształtowania elewacji na różnych fragmentach obwodu. Tym samym trudno o zachowanie jednolitości formy budynku. Rozczłonkowany profil od południa powinien zostać przekształcony od wschodu oraz zachodu i maksymalnie uproszczony od północy. Wszelkie elementy wystające poza lico elewacji północnej niepotrzebnie ograniczają dostęp promieniowania rozproszonego, które może dotrzeć do wnętrz.


Przykładem kreatywności w rozwiązaniu tego problemu jest projekt elewacji budynku DUO w Groningen, w Holandii (proj. UNStudio). Budynek przeszklony jest na stosunkowo dużej powierzchni, ale zastosowany system gzymsów rozwiązuje większość problemów mikroklimatycznych, jakie mogą stwarzać. Gzymsy wykonane są z aluminium i umieszczone na wysokości stropu (rys. 5).

 

Otaczają bryłę budynku na całym obwodzie co kondygnację. Ich profil zmienia się jednak 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 i wprowadzane jest w głąb pomieszczeń.

 

Układ półek zacieniająco-świetlnych jest na tyle efektywny, że wystarczyło uzupełnienie ich jedynie o wewnętrzne rolety pozwalające na regulację dostępu promieniowania indywidualnie przez użytkowników budynku. Wielką zaletą opisanego systemu jest połączenie kilku celów użytkowych (zacienianie, maksymalizowanie pozyskiwania światła dziennego i rozpraszanie go) przy stosunkowo prostych rozwiązaniach technologicznych. Wykorzystano jednak nowoczesne metody projektowania parametrycznego, by osiągnąć optymalny kształt budynku i jego elementów.


****


Nadawanie funkcji zacieniającej pełnym elementom budynków, czy poprzez wykorzystanie elementów poziomych, czy poprzez rzeźbę samej powierzchni elewacyjnej, jest najprostszym sposobem regulacji dostępu promieniowania słonecznego do wnętrz.

 

Jego wadą jest fakt, że są to elementy nieruchome i najczęściej pełne, przez co kontrola tego zjawiska i możliwość reagowania stosownie do potrzeb użytkowników jest ograniczona. Trudno osiągnąć optimum między charakterystyką funkcjonalną elementu (np. głębokość logii) a dwutorowym postulatem ochrony przez słońcem latem przy maksymalnym wykorzystaniu go w pozostałej części roku.

 

Bardziej efektywne w tym zakresie są zewnętrzne systemy zacieniające, które nie pełnią innych funkcji i nie wiążą się bezpośrednio ze strukturą konstrukcyjną budynku. Są to jednak elementy kosztowne, zwłaszcza, gdy posiadają elementy ruchome. Wymagają także czyszczenia i konserwacji, jako że narażone są na działanie czynników zewnętrznych. Powody te mogą skłonić inwestorów do rezygnacji z montażu systemów zacieniających, nawet, jeśli uwzględnia je projekt. Powinny zatem zostać wprowadzane jedynie tam, gdzie nie sprawdzają się prostsze rozwiązania.

 

 

dr inż. arch. Katarzyna Zielonko-Jung
Wydział Architektury Politechniki Warszawskiej

 

Bibliografia:
1. Hausladen G., Saldanha M., Liedl P., Climate skin, Building-skin Concepts that Can Do More with Less Energy, Birkhauser, Berlin 2006.
2. Herzog T., Solar Energy in Architecture and Urban Planning, Prestel, Monachium, 1996.
3. Schittich Ch., Solar Architectures, Birkhauser, Berlin 2006.
4. Zielonko-Jung K., Marchwiński J., Łączenie tradycyjnych i zaawansowanych technologii w architekturze proekologicznej, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2012.

 

Całość artykułu w wydaniu drukowanym  I elektronicznym 
Inne artykuły o podobnej tematyce patrz Serwisy Tematyczne
Więcej informacj: Świat Szkła 04/2014

 

  • 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.