Ryc. 1. a) Dom w Middleton ( 1946) - ''słoneczne półkole'' o przeszklonej, południowej fasadzie proj. F.L. Wrighta, b) ''Dymaxion House'' proj. R. B. Fullera. Oprac. autorki
Ryc. 2. Architektura słoneczna w kulturze europejskiej - etapy rozwoju. Oprac. autorki
W ostatnich dekadach architektura ulega przekształceniu przechodząc - w odpowiedzi na ideę zrównoważonego rozwoju oraz nowe możliwości w zakresie techniki i technologii - od modelu tradycyjnego konsumenta, czerpiącego i pochłaniającego energię, do jej producenta. Jest w stanie nie tylko pozyskiwać naturalną energię, ale także wytwarzać ją (fotowoltaika) dla zaspokojenia własnych potrzeb oraz w celu jej transmitowania.
Energetyka słoneczna a energochłonność
Bazę dla rozwoju energetyki słonecznej oraz słonecznej architektury 1) stanowi polityka ekologiczna, prowadzona na różnych szczeblach, w skali od globalnej po lokalną. Zobowiązania wynikające z ratyfikacji dokumentów międzynarodowych, ustaleń, deklaracji i protokołów, są podstawą do wnoszenia wkładu przez poszczególne kraje w działania na rzecz zrównoważonego rozwoju zarówno w skali własnego terytorium, jak i w skali globalnej.
Wymagania w zakresie standardów ochrony cieplnej oraz wykorzystania energii słonecznej w dokumentach legislacyjnych oraz normach technicznych rosną we wszystkich państwach Unii Europejskiej. Każda decyzja projektowa ma implikacje dla środowiska przyrodniczego. Niezbędne jest zatem racjonalne korzystanie z zasobów nieodnawialnych i dążenie do ich zastępowania dostępnymi substytutami. Korzystanie z odnawialnych źródeł energii, w tym z energii słonecznej, wiąże się z koniecznością ochrony atmosfery (redukcja emisji gazów cieplarnianych) oraz ograniczenia energochłonności budownictwa. Energochłonność tę można obniżyć poprzez wprowadzanie różnego typu energooszczędnych rozwiązań, ograniczających zużycie konwencjonalnych źródeł energii, m.in. wskutek poprawy termoizolacji oraz stosowanie zastępczych, odnawialnych jej źródeł, wspomagających systemy ogrzewania budynku .
Geneza i rozwój architektury słonecznej
Dążenie do właściwego ukształtowania i usytuowania budynku w stosunku do słońca stanowiło zawsze wiodący element projektowania architektonicznego. Współczesne koncepcje projektowe opierają się niejednokrotnie na sprawdzonych, znanych od wieków i zakorzenionych w lokalnej tradycji rozwiązaniach. Wpisujące się w klimat pasywne systemy pozyskiwania energii słonecznej dla ogrzewania, chłodzenia oraz wentylacji domów nie stanowią nowej idei.
Znane od zarania ludzkości stanowią część długiej historii architektury. Były rozwijane i wykorzystywane na przestrzeni wieków przez wiele cywilizacji świata, wznoszących budynki znacznie lepiej dopasowane do otoczenia i warunków klimatycznych niż ma to miejsce obecnie. Symbolicznym jest wielokrotnie wymieniany w literaturze dom Sokratesa. Starożytny Rzym udoskonalił grecki model słonecznej architektury dzięki zastosowaniu w I w n.e. nowych materiałów: szkła, a także miki i selenitu.
Okna przekształciły się od tego momentu w płaszczyzny pozyskujące energię słoneczną, a ciepło, skumulowane w ciągu dnia we wnętrzu, zatrzymywane było w nocy wskutek stosowania dodatkowych, okiennych osłon. To proste, znane już wówczas, zjawisko efektu cieplarnianego, wykorzystywane jest nadal w ogrzewaniu współczesnych, pasywnych domów słonecznych. Pasywny system ogrzewania słonecznego domów mieszkalnych i architektura bioklimatyczna należały również do miejscowej tradycji w okresie prekolumbijskim w południowo-zachodnich rejonach Ameryki Północnej oraz w Ameryce Łacińskiej.
Zasady te stosowali również Hiszpanie, osiedlający się w południowo-zachodnich rejonach Ameryki Północnej, włączając w koncepcję architektoniczną zimowe słońce i otwierając najdłuższą elewację na południe. Osadnicy Nowej Anglii podobnie wykorzystywali zalety klimatu orientując typowe, kolonialne, piętrowe domy na słońce dwoma rzędami okien w południowej, frontowej elewacji. Od XVI w. w Europie powróciło zainteresowanie ogrzewanymi słoneczną energią oranżeriami.
Kryte szkłem i zorientowane na południe pomieszczenia (cieplarnie, ogrody zimowe) rozpowszechnione były w XVIII w. w wielu krajach, szczególnie w Holandii, Francji, Anglii. Zakładanie ich umożliwiła produkcja płaskich tafli szkła. Osłony na szklane ściany zapobiegały utracie ciepła z pomieszczeń nocą. XIX wiek odrodził model architektury słonecznej i do jego końca ogrody zimowe stanowiły ważny element architektoniczny, uzupełniający od południa bryłę budynków mieszkalnych, szczególnie wiejskich rezydencji. Przyjmowały one też charakter wolno stojącego elementu w ogrodach publicznych.
Crystal Palace J. Paxtona – olbrzymia oranżeria, zbudowana z prefabrykatów – stanowił wyraz nowej technologii szkła i żeliwa. Omawiane idee zaniknęły po I wojnie światowej.
Wzory architektury Indian odrodzone zostały w latach 20. i 30. XX w. w siedzibach imigrantów, a w ramach ruchu słonecznego od lat 40. i 50. XX w. (D. Wright, S. i W. Nicolsowie) kontynuowane są w Nowym Meksyku i rejonie Santa Fe do chwili obecnej.
Organiczność, modernizm i pierwsza fala pasywnej architektury słonecznej. Charakteryzująca architekturę organiczną postawa kształtowania środowiska życia człowieka na zasadach związku z przyrodą zbliża do niej współczesne przeszklone domy i osiedla słoneczne.
Nurty w architekturze ostatniej dekady XX w., powstające na styku technologii i inspiracji organicznych, dążenie do dematerializacji i zacierania się granic między wnętrzem i zewnętrzem, nie są zjawiskiem nowym. Już na początku XX w. F.L.Wright wspominał o eteryzacji architektury i wtopieniu jej w otoczenie przyrodnicze. Przeszklone, transparentne, słoneczne fasady współczesne odbierane są jako redukujące bariery architektura-kontekst.
Oceniając wpływ na rozwój koncepcji proekologicznych nurtów projektowania wybranych dzieł wybitnych postaci modernizmu w XX w.: Le Corbusier`a, A. Aalto oraz R.B. Fullera podkreśla się niejednokrotnie, że kontynuowały one i wzbogaciły dialog między człowiekiem, architekturą i przyrodą.
B. Fuller, w odpowiedzi na problemy współczesnego świata, propagował oszczędne technologie, a tym samym przyczynił się do rozwoju idei ochrony zasobów naturalnych. Koncepcję przekrytych transparentnymi kopułami, absorbującymi energię słoneczną, ogrodów w St. Austell w Anglii (Eden Project, N. Grimshaw & Partners, 2001) uważa się za współczesną kontynuację jego idei.
Le Corbusier, niejednokrotnie zainspirowany miejscem i kontekstem przyrody, poszukiwał jej związków z człowiekiem, otwierając architekturę szklanymi płaszczyznami ścian dla promieni słonecznych. Ekspresjoniści Scheerbart i B. Taut, rozwijając wizje i idee szklanego domu, oparli je na wierze w szkło jako materiale budowlanym przyszłości oraz fascynacji wizualnymi zaletami tego tworzywa (Taut: „Szkło niesie nam nowe czasy...”).
Twórcy Bauhausu rozwinęli studia przezroczystości w architekturze, propagujące zasadę zespolenia wnętrza domu i otoczenia, a szklane płaszczyzny, osłaniane roślinnością lub żaluzjami, miały ułatwić bezpośrednie obcowanie z przyrodą i światłem słonecznym. Idee te, przeniesione do USA, wraz z nawiązaniem do miejscowej tradycji, stały się podłożem rozwoju ruchu słonecznego na kontynencie amerykańskim i powstania rozwiązań, które można zaliczyć do pierwszej generacji architektury słonecznej (pierwsza fala pasywnej architektury słonecznej).
W latach 30. i 40. XX w. wzniesiono szereg pasywnych domów, m.in. w rejonie Chicago. Charakteryzowały je szklane, południowe ściany otwarte na zimowe słońce, z osłonami chroniącymi przed jego promieniami w lecie. Bracia Keck zademonstrowali (targi, Chicago 1933) kryształowy dom o szklanych ścianach pozyskujących energię słoneczną. Duże, południowe przeszklenia powodowały znaczne straty ciepła oraz wahania temperatury w okresie doby w porównaniu z tradycyjnymi budynkami.
Eksperymenty A. Browna z czarną, akumulacyjną płaszczyzną ścienną pomiędzy przeszklonym, zimowym ogrodem, a częścią mieszkalną domu miały ograniczyć te problemy. Był on autorem pierwszego na świecie budynku użyteczności publicznej ogrzewanego energią słoneczną (szkoła podstawowa w Tucson, 1948). Doświadczenia omawianego okresu udowodniły słuszność kierunku poszukiwań stymulując rozwój różnorodnych, współczesnych technologii.
Domy słoneczne, projektowane w latach 40. i 50. charakteryzowała prosta, podporządkowana technologii architektura (Dover House, 1949-53 – arch. E. Raymond, Sun House, MIT 1949-55, arch. L. Anderson) lub też nawiązująca formą i materiałami do lokalnej tradycji. bioklimatycznego budownictwa osadników i Indian. Potencjał tkwiący w szkle został potwierdzony przez rozwój jego technologii w kolejnych dziesięcioleciach.
Jakkolwiek pierwszy przykład realizacji idei podwójnej, przezroczystej przegrody jako bufora termicznego, pochodzi z 1903 roku (hala maszyn koncernu Steiff), dopiero rozwój technologii szkła w drugiej poł. XX w. pozwolił na szerokie wprowadzanie systemów tych przegród w energooszczędnej architekturze oraz ich wykorzystanie w celu pozyskiwania energii słońca.
A. Pilkington (1955) opracował nową technologię wyrobu gładkich szklanych tafli, co przyczyniło się do możliwości produkowania elementów o większych rozmiarach (float). Technologia ta otworzyła drogę późniejszym rozwiązaniom stosowanym w konstrukcji współczesnych szklanych słonecznych fasad. Postępowi technologicznemu w dziedzinie produkcji szkła towarzyszył postęp w systemach ogrzewania, wentylacji i chłodzenia budynków.
Należy tu podkreślić, że w ramach pierwszej fali pasywnej architektury słonecznej (lata 1930-1960) zarysowały się, aktualne do dzisiaj, kierunki poszukiwań: rozwiązania pasywne oparte wyłącznie na technologii oraz powstające na bazie studiów tradycji lokalnej, budownictwa wernakularnego. Rozwinęły się też koncepcje projektowe łączące rozwiązania technologiczne z lokalnymi warunkami klimatycznymi oraz naturalnymi zasobami.2
Ryc. 3 Ewolucja zewnętrznych powłok budynku od tradycyjnych, energetycznie biernych do energetycznie czynnych w architekturze słonecznej – rola szkła. Oprac. autorki
Współczesne rozwiązania, które zaliczyć można, z uwagi na postęp technologiczny zarówno w produkcji szkła, jak i innych materiałów budowlanych oraz w konstrukcji systemów aktywnych, do drugiej generacji architektury słonecznej, poprzedzone zostały projektami eksperymentalnymi.
Badania w ramach tych projektów ( lata 60.i 70.), zarówno w Europie jak w USA, prowadzono w dwu kierunkach. Pierwszy z nich stanowił nurt kontynuacji pionierskiej działalności modernizmu, związany z pasywną architekturą słoneczną – pracami F. Trombe we Francji oraz S. Baera, D. Watsona, D. Wrighta, W. Kelbaugha i P. van Dressera w USA. Drugi kierunek badań zmierzał do uzyskania samowystarczalnych energetycznie budynków, łączących systemy pasywne i aktywne.3
W omawianym okresie szczególnie zaznaczył się szybki rozwój idei i realizacji wykorzystujących pasywne metody pozyskiwania energii słonecznej. 4
Znajdowało to odzwierciedlenie nie tylko w konstrukcji, ale i estetyce budynków.
Znaczący wkład w poszukiwanie relacji z otoczeniem przyrodniczym i klimatem w Europie wniosły dzieła R. Erskina (orientacja na słońce i czerpanie jego energii, wpisanie w teren, kierunek wiatrów, analiza strat cieplnych).
Ważnym etapem doświadczeń był projekt szkoły St. Georges School w Wallasey, koło Liverpoolu. Architekt A. E. Morgan (1962) zastosował w nim trzy fundamentalne zasady pasywnej słonecznej architektury: wysoki stopień izolacyjności cieplnej wszystkich przegród zewnętrznych, ściany i stropy pełniące rolę elementów kolektorowo-magazynowych przy wykorzystaniu pojemności cieplnej betonu, szklaną cieplarnię (ogród zimowy) od strony południowej.
Druga fala pasywnej architektury słonecznej związana była z raportami U`Thanta oraz Klubu Rzymskiego, a także kryzysami paliwowymi lat 70. i początku 80. (1973 i 1979-81). Z końcem lat 70. we Francji (arch. M.Gerber, G. Choleur) i w innych krajach europejskich pojawiła się, odradzająca wzory historyczne, pierwsza generacja słonecznych domów bioklimatycznych.
Częściowo przykładem stały się poszukiwania amerykańskie. Wymienić tu można działalność biura projektowego IBUS, prace T. Herzoga, a także B. Warne i LOG ID i pionierów „low tech”: P. Hübnera, studia Vandkusten z Kopenhagi (osiedle Tinngarden). W wyniku twórczości tych architektów wzniesiono bardzo szybko w omawianym okresie szereg domów mieszkalnych z popularnym rozwiązaniem w postaci oszklonych ogrodów zimowych. Spełniały one praktycznie zasady pasywnego pozyskiwania energii słonecznej. Zorientowane na południe szklarnie służyły jako słoneczne kolektory pełniąc jednocześnie rolę buforowej strefy klimatycznej.
Bierny system słoneczny, w postaci dużych szklanych płaszczyzn, zastosowano m.in. w znanym projekcie B. Varne – Natur Huset (1979) w Sztokholmie oraz w projekcie zabudowy dzielnicy mieszkaniowej Berlin-Rudow (1979). Natur Huset stanowi przykład domu obudowanego szklarnią z kamiennym magazynem ciepła. Kolektorem była cała kubatura budynku. Na przełomie lat 60. i 70. XX w architekci brytyjscy podjęli prace nad wielkoelementowymi, szklanymi systemami elewacyjnymi w postaci termoizolacyjnych, prefabrykowanych paneli. Etapem poszukiwań w zakresie redukcji konsumpcji energii przy zastosowaniu dużych płaszczyzn przeszklonych była realizacja zespołu biurowego General Electricity Generating Board (Bristol, Anglia, Arup Associates, 1973) i „inteligentnej” fasady w Farnborough w Hampshire (Arup Associates, 1984), realizacja zakładów Millera w Bath (N. Grimshaw, 1976) oraz Galerii Sztuki w Swindon (N. Foster, 1977).
Centrum biurowe w Ipswich (1975) i centrum Sztuk Wizualnych Uniwersytetu w Norwich (1978) stanowiły przykład energooszczędnego rozwiązania, w którym centralne, przeszklone patio pełniło rolę naturalnego regulatora wewnętrznego klimatu. Wprowadzanie na szerszą skalę energooszczędnych, wykorzystujących energię słoneczną, rozwiązań w Europie datuje się zatem w zasadzie od późnych lat 70. ubiegłego stulecia, obejmując większe zespoły i osiedla mieszkaniowe.
Podsumowując można stwierdzić, że na przestrzeni ostatnich 80 lat odrodziły się i zostały udoskonalone zasady budowy domów pasywnych, znane od czasów antycznych, a także z tradycyjnych, rodzimych form architektonicznych, występujących w różnych regionach świata. Filozofia odrodzenia pasywnej architektury była reakcją na modernistyczną technologię, konsumpcyjny styl życia ale też potrzeby ekonomiczne – kształtowania domów energooszczędnych oraz autonomicznych pod względem energetycznym. Współczesne koncepcje pasywnej architektury słonecznej realizują nowe relacje między domem i otoczeniem przyrodniczym za pośrednictwem przeszklonej przegrody.
Jako metody tradycyjne są nadal kontynuowane i rozwijane, równolegle oraz w połączeniu z systemami aktywnym. Lata 60. XX w. charakteryzowały się przezwyciężaniem problemów technicznych związanych z realizacją idei integracji architektury z klimatem ( słońcem).
Ostatnie ćwierćwiecze jest okresem decydującym dla rozwoju współczesnych technologii słonecznych i różnorodnych form energooszczędnych rozwiązań. Rozwiązania powstające w tym okresie można określić mianem drugiej generacji architektury słonecznej. Charakteryzuje je kontynuacja rozwiązań pasywnych (w ramach drugiej fali), a także rozwój różnorodnych form integracji z architekturą pasywnych i aktywnych systemów wykorzystania energii słonecznej. Obejmują one projekty budynków, osiedli i dzielnic miejskich, a także koncepcje słonecznych miast.
Ryc. 4. Ewolucja formy architektury słonecznej w drugiej połowie XX w. – estetyka przeszklonych elewacji budynków mieszkalnych. Rys. autorki
Rozwojowi temu sprzyja postęp w dziedzinie materiałów budowlanych, szczególnie szkła, konstrukcji i słonecznych technologii, a także postęp w świadomości społecznej. Współczesne rozwiązania w architekturze, wykorzystujące energię słoneczną, zostaną przedstawione w drugiej części zaprezentowanej pracy.
Dr hab. inż. arch. Stanisława Wehle-Strzelecka
Wydział Architektury Politechniki Krakowskiej
więcej informacji: Świat Szkła 7-8/2006
--------------------------------------------------------------------------------
1 Pod pojęciem architektury słonecznej autorka rozumie architekturę, której struktura, sposób ukształtowania przestrzeni zewnętrznej i wewnętrznej umożliwiają, adekwatne do klimatu, czerpanie maksymalnych zysków ciepła z energii słonecznej, przy jednoczesnym zapewnieniu minimalnych strat cieplnych. Tworzy ona integralną całość z elementami, które służą pozyskiwaniu energii słonecznej w sposób pasywny lub pasywny i aktywny. Energia słoneczna wykorzystywana jest dla potrzeb użytkowych mieszkańców - ogrzewania budynku, wody lub też wytwarzania energii elektrycznej metodą fotowoltaiczną. Architektura słoneczna (solar architecture) związana jest zatem ściśle z energooszczędnymi sposobami budowania i przystosowana, poprzez rozwiązania architektoniczne i strukturalno-materiałowe, do wykorzystywania ciepła pozyskiwanego wskutek fototermicznej konwersji promieniowania słonecznego (helioaktywna). Do niedawna interpretacja terminu ''architektura słoneczna'' obejmowała jedynie, najbliższą ideałom ekologicznym, architekturę wykorzystującą energię słoneczną w sposób pasywny. Wraz z rozwojem koncepcji proekologicznego nurtu kształtowania środowiska mieszkaniowego i nowych technologii przeszła ewolucję od rozwiązań wykorzystujących wyłącznie biernie energię słoneczną po współczesne systemy zintegrowane, łączące różnorodne technologie pozyskiwania tej energii odnawialnej z rozwiązaniami energooszczędnymi . Oprac. autorki
2 Powszechnie znanym przykładem był w USA dom pasywny projektu D. Wrighta (1974). Słoneczna energia pochłaniana była przez wielkie płaszczyzny okien. Nie przewidziano jednak możliwości jej magazynowania. W USA koncepcje domów pasywnych rozwijali architekci: D. Kelbaught (Princeton) i B. Hunn (Los Alamos), S. Baer (Albuquerque), H. Hay (Atascadero), P. Davis (Corrales).
3 M. in. wymienić tu należy doświadczalną, autonomiczną rezydencję Autarkic House,1971-79, Cambridge, W. Brytania, proj. A. Pike. Ogrzewanie pomieszczeń i wody uzyskano za pomocą kolektorów słonecznych, a otaczająca budynek z trzech stron, przeszklona przestrzeń ogrodu zimowego stanowiła dodatkowy, pasywny system uzupełniający ogrzewanie wnętrz w okresie zimowym. Energię elektryczną dostarczała instalacja wykorzystująca wiatr.
4 A. E. Morgan (1974) zaprojektował doskonałą ścianę słoneczną składającą się z dwu płaszczyzn szkła usytuowanych we wzajemnej odległości 60 cm .Znaczna część powierzchni wewnętrznej płaszczyzny szklanej pokryta była ciemnym szkłem. Niektóre fragmenty tej płaszczyzny wykonano z odwracalnych elementów, które przystosowane były do odbijania promieni słonecznych w lecie, a z drugiej strony, pokrycie czarną barwą ułatwiało absorbowanie ciepła w zimie.
