Dwuwarstwowe elewacje szklane zostały okrzyknięte niezwykle innowacyjnym rozwiązaniem, które w oparciu o naturalne procesy fizyczne pozwala na wentylowanie pomieszczeń poprzez okna w budynkach, gdzie dotychczas było to niemożliwe.
Wykorzystanie ich możliwości w tym względzie jest jednak bardzo złożonym zadaniem, które wymaga całościowego planowania strategii wymiany powietrza między strukturą budynku a jego otoczeniem.
Jakość powietrza we wnętrzu
Jakość powietrza w pomieszczeniach zaleczy od stopnia zanieczyszczenia powietrza pobieranego z zewnątrz oraz emisji zanieczyszczeń pochodzących z użytkowania materiałów wykończeniowych, wyposażenia i procesów biologicznych ludzkiego organizmu.
Komfort higieniczny powietrza jest kształtowany przez wielokrotność jego wymiany i związaną z nia prędkość jego przepływu oraz skład świeżego powietrza, wilgotność i temperaturę. Największe znaczenie dla jakości powie- trza pomieszczeń ma ich odpowiednia wentylacja.
Doświadczenia lat 50. do 70. dowiodły, ze Bledem jest kształtowanie struktury budynku, jako szczelnego układu, o sztucznie stworzonych warunkach środowiska fizycznego. Oprócz zapotrzebowania na energie, zbyt rujnujacego dla naturalnych zasobów, wyłonił sie problem niekorzystnego wpływu na uzytkowników budynku – wzrostu ich zachorowalności i złego samopoczucia.
Zjawiska te nazwano syndromem chorego budynku (Sick Building Syndrome, w skrócie SBS). Badania z nimi związane wykazały wyższość wentylacji naturalnej nad systemami mechanicznymi i klimatyzacja (rys.1).
Wartość procentowa różnego rodzaju schorzeń i złego samopoczucia wśród użytkowników jest największa w przypadku wnętrz klimatyzowanych. Wnętrza wentylowane naturalnie wypadły w tym porównaniu najlepiej, wyprzedzając, choć nieznacznie, system wentylacji mechanicznej.
Współczesne układy klimatyzacji uległy znacznemu udoskonaleniu w stosunku do tych sprzed trzydziestu lat, zwiększyła sie także dbałość o ich konserwacje, której brak jest główna przyczyna spadku jakości higieny powietrza w pomieszczeniach.
Jednak możliwość otwierania okien oraz odczuwanie temperatury adekwatne do pór roku jest jedna z najczęściej podkreślanych potrzeb użytkowników względem wnętrz, w których przebywają przez znaczna część dnia.
Dlatego tez trwają badania nad metodami wprowadzania wentylacji naturalnej do budynków zdanych dotychczas wyłącznie na systemy mechaniczne i klimatyzacje. Jednym z takich rozwiązań sa dwuwarstwowe elewacje szklane.
Rys. 1. Porównanie występowania różnych chorób i schorzeń w przypadku klimatyzacji, wentylacji mechanicznej i wentylacji naturalnej na przykładzie 44 budynków; wg badań J. Robena
Zasada działania elewacji dwuwarstwowej ze szkła jest cyrkulacja powietrza wewnątrz jej struktury. Powietrze, które trafia do jej wnętrza jest wstępnie podgrzane poprzez promieniowanie słoneczne (efekt szklarniowy) oraz, z wyjątkiem okresów gorących, przez styczność z cieplejsza strefa wnętrza budynku. Wskutek konwekcji oraz ewentualnego działania wiatru powietrze unosi sie ku górze, skład jest odprowadzane na zewnątrz lub do kanałów wywiewnych wentylacji.
Wykorzystywanie tego naturalnego zjawiska fizycznego jest obecne w architekturze od jej wczesnych stadiów, a nawet ma miejsce w „budowlach” świata zwierzęcego (np. kopce termitów, czy tunele piesków preriowych).
Elewacje dwuwarstwowe miałyby Stanowic kolejny, doskonalszy, bo wspomagany przez nowoczesna technologie wariant jego sprzężenia z procesem wymiany powietrza w budynku.
Rys. 2. Porównanie wymiany powietrza przez elewacje podwójna i jednowarstwowa przy różnych orientacjach względem dominujących wiatrów; na przykładzie projektu budynku biurowego wysokiego we Frankfurcie (proj. Schweger&Partners); wg K. Danielsa
Charakterystyka wentylacji pomieszczeń przez okna elewacji podwójnej
W porównaniu ze ścianą jednowarstwowa o otwieranych oknach, elewacja dwuwarstwowa powoduje nieco inny przebieg wymiany powietrza w pomieszczeniach. Dodatkowa warstwa szkła osłaniającą otwór okienny hamuje swobodne przechodzenie powietrza i zmniejsza wymiane powietrza miedzy wnętrzem a otoczeniem.
Różnica miedzy przepływem powietrza przez okno położone od strony dominujących wiatrów, a przepływem powietrza przez okno położone od strony najmniej wietrznej jest mniejsza, niż w oknie tradycyjnym (rys. 2). Mniejszy wpływ na intensywność jej przebiegu ma także stopień otwarcia lub uchylenia okna.
Wymiana powietrza z udziałem elewacji podwójnych jest wiec bardziej równomierna niż w przypadku elewacji jednowarstwowych. Możliwe jest otwieranie okien nawet przy wiatrach, które w przypadku rozwiązania jednowarstwowego powodowałyby zbyt intensywna wentylacje, a nawet uniemożliwiłyby uchylenie okna. Z kolei, w przypadku ścian zewnętrznych położonych w strefie bezwietrznej wymiana powietrza przez okna w ścianie podwójnej może sie okazać zbyt mała.
Właściwości te sa szczególnie waz- ne w przypadku budynków wysokich. Zewnętrzna warstwa elewacji przejmuje bowiem siły uderzeń wiatru, które na poziomie wyższych pieter powodują znaczne wahania ciśnienia działającego na przegrodę budynku. W przestrzeni wewnatrzfasadowej amplituda zmian ciśnienia wiatru jest juz znacznie mniejsza, dzięki czemu możliwe jest uchylanie okna wewnętrznej warstwy (rys. 3).
Rys. 3. Zmiany rozkładu ciśnienia wiatru działającego na powierzchnie elewacji podwójnej budynku wysokiego; wg zespołu Oesterle, Lieb. Lutz, Heusler
Wentylacja poprzeczna
Wentylacja poprzeczna (krzyżowa) polega na wymuszaniu ruchu powietrza poprzez cała strukturę budynku, a nie tylko poszczególne pomieszczenia. Wlot i wylot powietrza powinny znajdować sie na różnych płaszczyznach bryły budynku, aby świeże powietrze kierowane było w głąb jego struktury. Istnieją rozwiązania, w których elewacje podwójne zostały włączone w ogólna strategie krzyżowego przewietrzania budynku.
Rys. 4. Przekrój pionowy przez budynek biurowy GSW w Berlinie (proj. Sauerbruch Hutton Architects) pokazujacy koncepcje wentylacji poprzecznej w ramach 1 kondygnacji
Jednym z nich jest budynek biurowy GSW w Berlinie (proj. Sauerbruch Hutton Architects), o walskim, podłużnym planie. Elewacje podwójna zastosowano na długiej scianie zachodniej. Przestrzeń miedzywarstwowa nie jest w żaden sposób podzielona i działa jako potężny kanał wywiewny.
Świeże powietrze trafia do budynku przez okna w elewacji wschodniej – pojedynczej. Podcisnienie w przestrzeni zachodniej elewacji podwójnej wymusza jego poziomy ruch i „wyciąga” na zewnątrz (rys. 4) przy dodatkowym wsparciu nadwieszonego elementu w kształcie dysku, umieszczonego na dachu budynku.
Innym przykładem wykorzystania e- lewacji podwójnej w procesie wentylowania budynku jest projekt studialny obiektu biurowego w Londynie, wyko nany w ramach projektu badawczego „Green Building” (proj. J. Kaplicky, A. Levete, Ove Arup&Partners). Ma on nietypowa „jajowata” formę, która zawieszono, unosząc ponad ziemia, na stalowym trójnogu. Cała zewnętrzna powłoka została rozwiązana jako element dwuwarstwowy.
Świeże powietrze pobierane jest poprzez otwory wlotowe na spodzie „jajka“ i trafia do wewnetrznego atrium. Tam, wstępnie ogrzane, unosi sie w góre i przedostaje do pomieszczeni biurowych, skąd wyprowadzane jest na zewnątrz przez przestrzeń miedzywarstwowa elewacji, pełniącą funkcje kanału wywiewnego (rys. 5).
Rys. 5. Projekt studialny obiektu biurowego „Green Building” w Londynie (proj. J. Kaplicky, A. Levete, Ove Arup&Partners); przekrój pionowy pokazujacy cyrkulacje powietrza w obrębie struktury budynku
Buforowe działanie atrium wykorzystano także w budynku wysokim Commerzbank we Frankfurcie (proj. Foster&Partners). Wraz ze spiralnie rozmieszczonymi ogrodami zimowymi, tworzy ono bufor cieplny, w którym występuje naturalna cyrkulacja powietrza, umożliwiającą jego wyśmiane w częściach biur, nie objętych wentylującym działaniem elewacji podwójnych (rys. 6, fot. 1, 2).
Fot. 1. Biurowiec Commerzbank we Frankfurcie (proj. Foster&Partners). Sylweta budynku z widocznymi przeszkleniami pnących sie w gorę ogrodów zimowych
Fot. 2. Biurowiec Commerzbank we Frankfurcie (proj. Foster&Partners): (a) widok w gorę środkowego, głównego atrium; (b) wnętrze jednego z ogrodów zimowych; (c) elewacja dwuwarstwowa w sekcji biurowej.
Czynniki decydujace o naturalnym wentylowaniu budynku
Rodzaj ściany zewnętrznej budynku i stopień jej „przepuszczalności” powietrznej jest tylko jednym z czynników decydujących o sposobie i efektywności wentylacji naturalnej.
Jej przebieg zależy także od układu przeważających kierunków wiatrów i ich rozkładu prędkości, ilości dni bezwietrznych, kształtu i struktury przestrzennej budynku, rodzaju zabudowy otaczającej czy różnicy temperatur między wnętrzem a otoczeniem.
Nie można badać działania elewacji podwójnych w zakresie ich znaczenia dla wentylacji budynku bez uwzględnienia tych czynników. Każdy budynek o określonym kształcie, usytuowany w konkretnym miejscu i orientacji, występujący w określonym sąsiedztwie stanowi unikatowy, zmienny w czasie układ aerodynamiczny i wymaga dokładnej analizy.
Rys. 6. Budynek wysoki Commerzbank we Frankfurcie (proj. Foster&Partners); schematyczny przekrój przedstawiający naturalny ruch powietrza wewnątrz budynku na całej jego wysokości (a) i w obrębie jednego ze spiralnie ułożonych ogrodów zimowych (b).
Rys. 7. Wykres przedstawiający porównanie przebiegu wymiany powietrza w e.p. w tym samym budynku, w dwóch wariantach odstępu miedzy warstwami; na przykładzie projektu budynku biurowego wysokiego we Frankfurcie (proj. Schweger&Partners); wg K. Danielsa
Budowa elewacji podwójnej jest ścisłe związana, a nawet podporzadkowana ogólnej strategii wymuszania ruchu mas powietrza w budynku. Dobór parametrów powinien gwarantować prawidłowe względem całości budynku funkcjonowanie elewacji.
Czynnikami, które w istotny sposób wpływają na intensywność wymiany powietrza w pomieszczeniach sa:
- szerokość odstępu miedzy dwiema warstwami, a także przekrój i położenie szczelin wentylacyjnych w zewnętrznej warstwie elewacji; rys. 7 przedstawia porównanie wykresów wymiany powietrza w pomieszczeniu dla dwóch wartości odstępu miedzy warstwami – 50 i 300 mm, wymiana powietrza w przypadku większej wartości jest bardziej intensywna (z badan nad elewacja budynku wysokiego biurowego we Frankfurcie)
- system otwierania okien w wewnętrznej ścianie – tafla okna może stwarzać mniejszy lub większy opór dla powietrza napływającego z przestrzeni wewnatrzfasadowej w zależności od maksymalnej powierzchni otwartej w stosunku do powierzchni ‘światła’ okna (rys. 8); jednym z bardziej „hamujących” systemów jest okno uchylne
- obecność podziałów – poziomych i pionowych – przestrzeni miedzywarstwowej; rys. 9 jest fragmentem badan nad doborem elewacji dla budynku biurowego wysokiego w Essen i przedstawia dwa zestawienia ilości dni w roku, kiedy intensywność wymiany powietrza w określonych po- mieszczeniach przekracza wartość optymalna – pierwszy z nich dotyczy wariantu elewacji podwójnej z po- działami poziomymi i pionowymi, a drugi tylko z poziomymi; drugi przy- padek okazał sie dla tego budynku mniej korzystny
- układ żaluzji – poziomy lub pionowy; rys. 10 przedstawia zestawienie przyrostu prędkości powietrza przepływającego przez przestrzeń miedzywarstowa przy wzrostach siły wiatru i różnic temperatur miedzy wnętrzem a otoczeniem dla poziomego i pionowego układu żaluzji; w przypadku żaluzji pionowych prędkość ta rosła w znacznie bardziej dynamiczny sposób (z badan nad elewacja budynku wysokiego biurowego we Frankfurcie).
Rys. 8. Procent możliwości maksymalnego otwarcia w stosunku do powierzchni światła okna dla różnych systemów otwierania; wg zespołu Oesterle, Lieb, Lutz, Heusler
Rys. 9. Badania elewacji wysokiego budynku biurowego w Essen. Zestawienie procentowe ilości dni w roku, kiedy intensywność wymiany powietrza przy uchylonych oknach w wybranych pomieszczeniach przekracza wartoss optymalna. Przyjęto dwa warianty elewacji podwójnej – z poziomymi i pionowymi podziałami pustki i z poziomymi podziałami pustki wewnatrzfasadowej; wg K. Danielsa
Rys. 10. Badania elewacji wysokiego budynku biurowego we Frankfurcie. Zestawienie porównawcze zależności miedzy intensywnością wymiany powietrza w pomieszczeniach a prędkością wiatru dla żaluzji pionowych i poziomych; wg K. Danielsa
Istnieją rozwiązania elewacji podwójnych, których funkcjonowanie jest związane z dodatkowymi elementami architektonicznymi w postaci specjalnych „nadwieszen” dachowych. Umieszczane sa one ponad wylotem dwuwarstwowej elewacji i przybieraja kształty aerodynamiczne, zblizone do dysku lub skrzydła samolotu (rys. 11 i 12).
Elementy tego rodzaju sa stosowane w przypadku elewacji, w których przestrzen miedzywarstwowa na całej długosci lub jej fragmentach działa jako ciag wentylacyjny o wysokosci budynku (brak podziałów poziomych – systemy całopowierzchniowe). Ich obecnosc zwieksza ped powietrza ku górze chroniac wyzsze kondygnacje przed przenikaniem przez otwarte okna powietrza zuzytego z kondygnacji nizszych.
Zjawisko polega na wyeliminowaniu z przestrzeni miedzywarstwowej strefy cisnienia wyzszego niz to, panujace wewnatrz pomieszczen. Na wszystkich poziomach przestrzeni panuje wówczas podcisnienie, gwarantujace wywiew zuzytego powietrza z wnetrz.
Rys. 11. Przykład dachu w kształcie dysku, którego obecnoss wspomaga działanie elewacji podwójnej; a) widok nadwieszenia,
b) schemat rozkładu cisnienia w pustce; budynek biurowy (52 kond.) we Frankfurcie, architekci prof. Schweger&Partners
Metody badan dotyczace naturalnej wentylacji budynków
Badanie układów ruchu powietrza wokół i wewnatrz budynku jest mozliwe poprzez symulacje w tunelu wiatrowym. Model budynku wraz z sasiednia zabudowa umieszczany jest w specjalnej komorze i poddawany próbom wiatru o róznych kierunkach i sile (proporcjonalnej do parametrów modelu).
Eksperyment ten pozwala zmierzyc róznice ciśnień na powierzchni elewacji, dzieki czujnikom zainstalowanym na makiecie. Dym wprowadzony do komory stanowi wizualizacje przepływu powietrza i miejsc jego zastoju. Zaawansowane technologie komputerowe umozliwiaja tworzenie symulacji wirtualnych, które zastepuja kosztowne badania w tunelach wiatrowych, uznaje sie je jednak za mniej miarodajne.
Kolejnym etapem badan jest metoda testowania elementów fasady w skali 1:1, w postaci kilku segmentów prototypowych. Poddawane sa one róznym działaniom symulujacym naturalne wa- runki pogodowe, takze skrajne.
Wszystkie wymienione metody testowania aerodynamicznych cech budynku (uwzgledniajace takze rodzaj jego obudowy) i ruchu mas powietrza wokół i wewnatrz niego, stanowia rodzaj „przyblizenia”, gdyz nie sposób przewidziec wszystkich mozliwych układów pogodowo-sytuacyjnych. Załozeniem, które traktuje sie jako stałe, a przeciez moze ulegac nieprzewidzianym zmianom, jest układ i rodzaj otaczajacej zabudowy.
Problematycznym czynnikiem jest takze mozliwosc otwierania okien indywidualnie przez kazdego uzytkownika. Nieprzewidywalnosc decyzji o wietrzeniu, a takze mozliwosc wystepowania decyzji nieracjonalnych (np. długotrwałe wietrzenie zima) znacznie utrudnia okreslenie „niezawodnej” strategii wentylowania budynków w sposób naturalny – zwłaszcza w budynkach wysokich, które sa prawdziwym wyzwaniem w tym wzgledzie.
Rys. 12. Przykład elementu dachowego wspomagajacego „ciag” powietrza w elewacji dwuwarstwowej. Budynek biurowy (20 kondygnacji) w Berlinie, architektci Sauerbruch Hutton
Zakres mozliwosci wentylowania budynków w sposób naturalny
Udział w naturalnym wentylowaniu budynków jest niewatpliwie najbardziej interesujaca własciwoscia dwuwarstwowych elewacji szklanych. Ich działanie jest szczególnie cenne w przypadku budynków, w których wprowadzenie wentylacji naturalnej było dotad niemozliwe.
Dotyczy to głównie budynków wysokich i o głebokich traktach, ale tak- ze tych połozonych na terenach o duzym natezeniu hałasu. Nie jest jednak mozliwe, aby budynki dotychczas klimatyzowane dzieki elewacjom podwójnym, działajacym zgodnie z ogólna koncepcja krzyzowego przewietrzania budynku, mogły korzystac wyłacznie z wentylacji naturalnej.
Tabela 1 przedstawia wyniki badan nad wentylacja budynku biurowego Tchibo Holding w Hamburgu (6 kondygnacji, głeboki trakt, atrium; architekci Burgin Nissen Wentzlaff, Bazylea) dotyczace warunków pogodowych, w których przewietrzanie naturalne nalezy zastapic innymi metodami.
Przy temperaturach zewnetrznych powyzej +22oC i ponizej +5oC, a takze przy zbyt małych i zbyt duzych siłach wiatru konieczne jest wspomaganie lub nawet zastapienie wentylacji naturalnej systemem mechanicznym i klimatyzacja.
Budynek musi wiec posiadac odpowiednie instalacje, które uzywane sa okresowo. Dla innego budynku biuro- wego takze wysokiego – Stadttor w Düsseldorfie (architekci Petzinka&Partners) okreslono przedział temperatur pozwalajacych na wykorzystanie wentylacji naturalnej na powyzej +20oC i ponizej +5oC.
Podsumowujac, zastosowanie dwuwarstwowych elewacji szklanych w budynku moze pozwolic na wentylowanie pomieszczen poprzez okna w budynkach dotychczas zdanych wyłacznie na systemy mechaniczne. Warunkiem powodzenia jest jednak dogłebna analiza układu aerodynamicznego jakim jest konkretny budynek w okreslony sposób usytuowany w konkretnym otoczeniu.
Elewacje dwuwarstwowe powinny zas byc elementem całego układu rozwiazan przestrzenno-technologicznych, które stworza system wymuszajacy optymalny dla budynku proces wymiany powietrza miedzy jego wnetrzem a otoczeniem. Nalezy takze byc swiadomym, ze projektowany układ moze róznic sie od rzeczywistosci, gdyz metody symulacji i testowania oddaja jedynie przyblizenie warunków rzeczywistych.
Odpowiedzi, na ile realizowane w ostatnich latach budynki z elewacjami dwuwarstwowymi spełniaja załozenia projektu w zakresie wpływu na wymiane powietrza w pomieszczeniach powinny dostarczyc badania przeprowadzone po pewnym okresie ich eksploatacji. Miejmy nadzieje, ze pozwola one na sformułowanie ogólnych wniosków poszerzajacych dotychczasowa wiedze na ten temat.
dr inz. arch. Katarzyna Zielonko-Jung
Całość artykułu w wydaniu drukowanym i elektronicznym
Inne artykuły o podobnej tematyce patrz Serwisy Tematyczne
Więcej informacji: Świat Szkła 12/2003