W ostatnich dziesięcioleciach pojawiło się wiele innowacji w zakresie technologii elewacyjnych. Wynikały one z zastosowania nowych materiałów lub nowych zastosowań znanych materiałów, takich jak klejone struktury ścienne (szklenie strukturalne) w latach 60. i 70.

Z drugiej strony, w latach 90. i później, obserwowaliśmy coraz częstsze wprowadzanie fasad dwu- i wielowarstwowych oraz powrót do innego rozwiązania – wentylacji naturalnej.

Obecnie uważamy, że fasada z zamkniętą szczeliną (Closed-Cavity-Façade CCF) stanowi obiecujący i innowacyjny sposób na rozwój nowych możliwości, zwłaszcza w kontekście budynków wysokościowych.

 Rys. 1. Przegląd systemów fasadowych z podwójną powłoką

Poniższy raport przedstawia przegląd istniejących systemów oraz wskazuje na wyzwania i szanse związane z tym zaawansowanym, nowym systemem fasadowym. Ponadto zostanie przedstawionych kilka projektów referencyjnych z ostatnich lat, zarówno ukończonych, jak i będących w trakcie realizacji. Raport wskazuje drogę do właściwego projektu funkcjonalnego oraz ilustruje najważniejsze kwestie dobrego zarządzania procesem zapewniającym najwyższą jakość realizowanych inwestycji.

1. Technologia fasadowa w zmieniających się czasach
Ciągłe udoskonalanie w ciągu ostatnich 30 lat dostępnych szyb i ram o wysokich parametrach technicznych doprowadziło do znacznie większej efektywności energetycznej.

Kolejnym kamieniem milowym było opracowanie w latach 90. dwupowłokowych konstrukcji (z tzw. podwójną skórą – Double-Skin-Façade), które były stosowane głównie w budynkach komercyjnych i wysokościowych.

Ponadto decentralizacja systemów HVAC zapewniających ogrzewanie, wentylację i klimatyzację (heating, ventilation, air conditioning), np. stropów chłodzących, płyt betonowych aktywowanych termicznie i zdecentralizowanych systemów wentylacji, dała wiele możliwości hybrydowych z naturalną wentylacją okienną.

Naturalna wentylacja przez okna, z możliwością ręcznej obsługi – w przeciwieństwie do centralnych systemów wentylacji mechanicznej z wyłącznie centralnym systemem sterowania – powinna zapewnić zarówno lepszy bilans energetyczny, jak i lepszy komfort użytkownikom.

Szczególnie wysokie budynki, które są narażone na silne wiatry, mają zabezpieczenie w postaci szyb przeciwsłonecznych montowanych na całej zewnętrznej ścianie jako druga powłoka lub przynajmniej dodatkowa tafla szkła (w poszczególnych kwaterach okiennych) . To zwiększyło użyteczność fasad i znacznie obniżyło zapotrzebowanie na chłodzenie obiektu.

Często jednak pojawiały się wątpliwości dotyczące wyższych nakładów inwestycyjnych oraz wyższych kosztów konserwacji i czyszczenia związanych z fasadami dwupowłokowymi/dwuwarstwowymi. Prowadziło to często do rozwiązań, które nadal były konstruowane jako jednowarstwowa ściana zewnętrzna z oknami, zaniedbując coraz bardziej potrzebną ochronę przeciwsłoneczną spowodowaną nagrzewaniem się naszej atmosfery.

Idea otwieranych okien w wieżowcu została zrealizowana w połączeniu z tańszą fasadą jednopowłokową, dzięki nowo opracowanemu rozwiązaniu – „parallelausstellflügel” (skrzydło przesuwne równolegle), napędzanemu silnikiem. Umożliwiło to stworzenie dynamicznej osłony przeciwwiatrowej (deflektora wiatru), która po precyzyjnym ustawieniu zapewnia stały dopływ świeżego powietrza niezależnie od wpływu wiatru.

Budynki takie, jak Main Tower we Frankfurcie pokazują, że pomysł ten był nawet wykorzystywany w dużych projektach inwestycyjnych. Jednym z ostatnich, najbardziej znanych przykładów tego typu budynków z jednowarstwową fasadą i otwieranymi oknami był z pewnością zaproponowany przez firmę Drees & Sommer Fassadentechnik projekt odnowienia bliźniaczych wież Deutsche Bank we Frankfurcie.

Technologia fasad jednopowłokowych ma jednak ciągle istotne wady: dość ciemne przeszklenia chroniące przed słońcem i – w porównaniu z fasadą dwupowłokową – znacznie wyższy pobór energii elektrycznej na sztuczne oświetlenie – wynikające z mniejszej ilości światła dziennego docierającego do wnętrz pomieszczeń w budynku.

Wciąż jednak brakowało rozwiązania dla wyjątkowo wymagających przegród zewnętrznych budynków o najlepszych właściwościach izolacyjnych i przeciwsłonecznych. Wiąże się to z chęcią nadania nowego wyglądu zabytkom o dużej wartości rozpoznawczej. Pytamy więc: czy fasada typu „podwójna skóra” to nie idealne, ale najlepsze ze wszystkich znanych do tej pory rozwiązań?

Rys. 2. Power Tower w Linz (źródło: Energy AG)

2. Od fasady dwupowłokowej do fasady z zamkniętą szczeliną
Odnotowano wiele pozytywnych przykładów budynków z podwójną fasadą (Double-Skin-Façade). W przypadku otwartego konkursu na wykonanie konstrukcji takiej fasady, ceny były często bardziej umiarkowane niż oczekiwano. Na przełomie tysiącleci ukazały się też fachowe publikacje na temat optymalizacji inżynierii elewacji i wentylacji.

Niemniej jednak są też przykłady takich obiektów, które mają ograniczoną funkcjonalność, gdyż występuje tam zjawisko nadmiernego nagrzewania się lub mieszania się powietrza wywiewanego z nawiewanym. Takie usterki pojawiają się zwłaszcza wtedy, gdy otwory na zewnątrz lub odległości między powłoką/warstwą wewnętrzną i zewnętrzną są zbyt mocno zmniejszone.

Dlatego też wszystkie projekty fasad dwupowłokowych (Double-Skin-Façade) firmy Drees & Sommer zostały opracowane od podstaw z jasnym przesłaniem dla właściciela: nieuniknione nadmiernie podwyższone temperatury w korytarzu fasadowym (przestrzeni między dwiema powłokami w fasadzie – służącej do komunikacji, wentylacji itp.) wymagają zapewnienia minimalnej wentylacji mechanicznej pomieszczeń sąsiadujących z fasadą typu podwójna skóra.

Poprawę tej sytuacji można osiągnąć, jeśli zaprojektuje się fasadę z należytą starannością, zapewniając wydajny przepływ powietrza przez korytarz elewacji, aby utrzymać nadwyżki temperatury na jak najniższym poziomie.

Dobrze zaprojektowane korytarze fasadowe wykazują typowe nagrzewanie się powietrza wylotowego o 4-6°C przy pełnym nasłonecznieniu i aktywnej rolecie przeciwsłonecznej w korytarzu. Niezbyt dobrze zaprojektowane korytarze fasadowe często wykazują w tych samych warunkach przyrost temperatury nawet o 10-15°C. Będzie to miało znaczący wpływ na użyteczność naturalnej wentylacji pomieszczeń znajdujących się za ścianą.

Zależy to jednak od geometrii i ekspozycji korytarza oraz od kształtu i wielkości otworów wentylacyjnych i wymaga konsultacji z ekspertem w dziedzinie aerodynamiki. Dlatego też często przytaczana informacja o dobrej efektywności energetycznej fasad dwupowłokowych jest prawdziwa tylko w przypadku dobrego zaprojektowania ich wentylacji.

Do najbardziej znanych przykładów projektów realizowanych w Niemczech należy Post Tower w Bonn, stanowiący doskonały przykład wykorzystania naturalnej wentylacji i światła słonecznego w dzień, a także osłon przeciwsłonecznych w fasadzie z podwójną powłoką.

Ten wieżowiec o wysokości 166 m, zaprojektowany przez pracownię architektoniczną Murphy Jahn z Chicago, otrzymał srebrną nagrodę Emporis Skyscraper Award po ukończeniu budowy w 2002 roku. Projekt fasady został wykonany przez firmę Drees & Sommer, a doradztwo aerodynamiczne i pomiary należały do Instytutu Aerodynamiki Przemysłowej I.F.I.

To spostrzeżenie zaowocowało pomysłem na nowy typ fasady dwupowłokowej (Double-Skin-Façade) – zwanej fasadą z zamkniętą szczeliną (Closed--Cavity-Façade) lub w skrócie fasadą typu „CCF”. Połączenie zalet fasady jednopowłokowej z zaletami fasady dwupowłokowej doprowadziło do powstania niewentylowanej fasady dwupowłokowej z bardzo dobrą izolacją cieplną od wewnątrz i szczeliną powietrzną o większej głębokości od zewnątrz.

Rys. 3 i 4. InHaus 2 Duisburg (lewy rysunek – fasada CCF, prawy – fasada dwupowłokowa)

3. Zaawansowana technologia fasad CCF
Fasada typu CCF (Closed-Cavity-Façade) pozwala uniknąć zanieczyszczenia jej powierzchni wewnętrznych, ponieważ nie są one wystawione na działanie wentylacji (przepływ powietrza). Kondensacja pary wodnej jest redukowana dzięki nawiewowi osuszonego powietrza do środka/wnętrza, ale ilość napływającego powietrza jest bardzo niska, ponieważ urządzenie jest skonstruowane tak, aby było prawie szczelne.

Zachowana jest dobra izolacyjność akustyczna i właściwości przeciwsłoneczne podwójnej powłoki. Jeśli czasami potrzebna jest możliwość naturalnej wentylacji, z elementem CCF można połączyć otwieraną klapę, która w normalnych warunkach nie będzie otwierana.

Dopływ suchego powietrza jest kontrolowany za pomocą temperatury punktu rosy na zewnątrz i temperatury powierzchni. Im większa jest odległość tzw. punktu rosy od krytycznej temperatury powierzchni (na przykład wewnętrznej strony zewnętrznej szyby pojedynczej), tym bezpieczniej jest przygotowywany projekt zabezpieczający przed pogorszeniem widoczności przez kondensację.

Jest to fakt, który ma miejsce w niezbyt dobrze zaprojektowanych systemach wentylacyjnych w fasadach dwupowłokowych. Obecnie na rynku dostępne są dwa zasadniczo różne systemy. Jeden wytwarza osuszone powietrze w urządzeniach lokalnych, a drugi w urządzeniach centralnych. W związku z tym konieczne jest użycie szczelnych rur w elementach fasady, ale tylko o niewielkich średnicach.

W zdecentralizowanym systemie suchej klimatyzacji (rysunek 1 / typ C) stosuje się suszarnie (skrzynki suszące), które umieszcza się w bliskiej odległości od elementów elewacji. Mogą one być instalowane w zagłębieniu poniżej elementów fasadowych lub w przestrzeni międzysufitowej nad elementami. W każdym przypadku ważny jest stały dostęp do odpowiednich paneli dostępowych w celu konserwacji urządzeń i wymiany wkładów osuszających.

Inną możliwością jest zastosowanie rozproszonych jednostek klimatyzacyjnych, zwanych „jednostkami AHC”, które przeprowadzają proces „regeneracji powietrza” wewnątrz urządzenia, dzięki czemu nie ma konieczności wymiany czynnika osuszającego. Taki system został po raz pierwszy wdrożony w nowej siedzibie Energie AG Upper Austria w Linz.

Taka fasada wykonana jest z potrójnego szkła izolacyjnego z wypełnieniem kryptonem przestrzeni międzyszybowej (komory międzyszybowej bliżej pomieszczenia), zastosowana jest szyba przeciwsłoneczna „w szczelinie” i pojedyncza tafla szkła na zewnątrz. Na jednej z fasad tego wspomnianego jużprojektu zrealizowano nawet kilka otwieralnych urządzeń CCF.

Zupełnie inną drogę obrano w przypadku wersji CCF zasilanej sprężonym powietrzem (rys. 1 / typ D). Suche powietrze jest wytwarzane w jednostce centralnej i kierowane do wszystkich podłączonych elementów. Umożliwia to bardzo efektywne osuszanie powietrza (np. poprzez adsorpcję) i jest łatwe w utrzymaniu/konserwacji. Ponadto elementy są regulowane/dopasowywane indywidualnie w zależności od zapotrzebowania na osuszone i sprężone powietrze (pod ciśnieniem).

Sieć doprowadzająca powietrze jest wykonana z rur ze stali zwykłej lub nierdzewnej, aby sprostać wyższym ciśnieniom stosowanym do dystrybucji w rurach o małej średnicy. Planowaniem linii sprężonego powietrza i centralnego urządzenia wytwarzającego sprężone powietrze zajmuje się zwykle zespół ds. projektowania instalacji HVAC, ale uwzględnia on pewne istotne powiązania z projektowaniem i wykonaniem elewacji.

Ostateczne określenie parametrów projektowych, takich jak wymiary przewodów sprężonego powietrza, należy jednak do wykonawcy elewacji. Jest to szczególnie ważne, aby zdefiniować i zapewnić jasne zakresy odpowiedzialności za prawidłowe działanie całego systemu. W umowach dotyczących fasad CCF zwykle wymaga się pisemnej gwarancji zapewniającej prawidłowe działanie systemu przez okres co najmniej dziesięciu lat.

Konstrukcja CCF (fasada z zamkniętą szczeliną/ komorą powietrzną) jest atrakcyjna, ponieważ w porównaniu z konwencjonalną fasadą dwuwarstwową kosztuje niewiele oraz nie wymaga żadnych poważnych dodatkowych inwestycji. Wynika to głównie z faktu, że stosunkowo niewielka dodatkowa inwestycja w przewody powietrzne i centralny układ sprężonego powietrza jest rekompensowana przez brak konieczności otwierania i czyszczenia, co ma miejsce w przypadku fasad dwuwarstwowych. Ponadto, roczne koszty konserwacji skrzydła okiennego w konwencjonalnej fasadzie dwuwarstwowej są w przybliżeniu równe lub nawet wyższe niż koszty konserwacji systemu suchego powietrza w CCF.

Rys. 5. Roche Diagnostics Rotkreuz

Rys. 6 i 7. Budynek Roche 1 w Bazylei

4. Szanse i wyzwania związane z techniką CCF
Oprócz wyżej wymienionych zalet technicznych CCF w zakresie konserwacji i utrzymania, dostrzegamy pewne zalety architektoniczne i projektowe tego typu fasady. Ze względu na wyeliminowanie czyszczenia od wewnątrz profile ram są znacznie smuklejsze/cieńsze. Ponadto możliwe jest uzyskanie znacznie większych rozmiarów szkła w porównaniu z fasadami dwuwarstwowymi ze skrzydłami otwieranymi od wewnątrz.

Wysoka jakość wizualna elewacji w perspektywie od wewnątrz i z zewnątrz sprawia, że fasada CCF jest niezwykle interesująca dla architektów i właścicieli budynków (patrz rys. 3 i 4).

Ponadto powstają nowe możliwości wykorzystania kierowanego światła dzięki odpowiednim systemom ochrony przeciwsłonecznej. Wybór materiałów do produkcji żaluzji jest szerszy, ponieważ w fasadzie CCF nie są one narażone na oddziaływanie wiatru ani deszczu, a materiały muszą być jedynie odporne na podwyższoną temperaturę i działanie promieni słonecznych. Ponieważ ciepło nie jest przenoszone głównie przez konwekcję, lecz przez promieniowanie, kierunek osi obrotu żaluzji nie jest tak istotny.

Izolacja cieplna w chłodne zimowe dni jest doskonała, a możliwe wartości Ucw wynoszą od około 0,6 do 0,9 W/m2K dla elementów CCF z wewnętrznym potrójnym oszkleniem. W zależności od proporcji pomiędzy oknami a elementami nieprzezroczystymi w fasadzie można spełnić nawet bardzo wysokie wymagania w zakresie izolacyjności cieplnej.

Jednak nowy typ fasady CCF niesie ze sobą również pewne wyzwania dla projektantów i konstruktorów. Elementy zainstalowane w zamkniętej przestrzeni są trudne do wymiany lub konserwacji. W związku z tym przydatne mogą być nowe sposoby sterowania elementami za pomocą silników i aktywatorów umieszczonych poza zamkniętą przestrzenią.

Wszystkie aktywne i pasywne elementy fasady CCF muszą przetrwać wysokie temperatury (do około 80-90°C) i długi okres eksploatacji bez konieczności konserwacji. Konstrukcja CCF musi zachować szczelność w tych wysokich temperaturach wewnętrznych i może być narażony na duże gradienty temperatury w stosunku do otaczających go elementów budynku.

Izolacja cieplna wewnętrznego (potrójnego) oszklenia elementu CCF jest potrzebna nie tylko do izolacji wnętrza, ale przede wszystkim do zmniejszenia tzw. wtórnej przepuszczalności ciepła przy pełnym nasłonecznieniu w lecie.

Bardzo ważne jest, aby wykonawca – przed montażem – przeprowadził testy tych elementów w warunkach rzeczywistych, zanim zostaną one dopuszczone do produkcji elewacji w dużych ilościach. Zgodnie z tą zasadą wykonano elewację CCF na dużą skalę – w nowym budynku Roche Building 1, 178-metrowym wieżowcu w centrum Bazylei w Szwajcarii – jednym z pierwszych wieżowców w tej technologii

Rys. 8 i 9. Budynek Roche 1, główna fasada w przekroju pionowym i poziomym

Rys. 10. Stanowisko badawcze, Wyższa Szkoła Zawodowa w Rosenheim

Rys. 11. Komora testowa VERU, Instytut Fraunhofera w Holzkirchen

5. CCF – wdrożona innowacja
W ostatnim dziesięcioleciu fasada typu CCF została z powodzeniem zastosowana w wielu projektach. Jednym z takich projektów jest Power Tower w Linzu. Innym projektem jest InHaus 2, eksperymentalny budynek Instytutu Fraunhofera do Badań Budynków w Duisburgu. W tym budynku szeroko testowano zastosowanie suchego sprężonego powietrza w elewacji CCF.

Dla działu budowlanego firmy Roche przygotowano porównanie cech konwencjonalnej fasady dwuwarstwowej i fasady CCF z zamkniętą szczeliną. Wyniki były tak przekonujące, że nowa siedziba główna firmy Roche Diagnostics w Rotkreuz, w pobliżu jeziora Zuger-See, została zbudowana w technologii CCF i ukończona w 2010 r., przed Roche Tower w Bazylei.

Do tego czasu nie było żadnych lub było tylko kilka praktycznych doświadczeń, na podstawie których właściciel mógłby przemyśleć swoją decyzję dotyczącą głównej siedziby firmy. Kolejny projekt CCF został zrealizowany na terenie firmy Roche w Kaiseraugst, gdzie powstał nowy budynek laboratoryjny.

Obecnie ukończono budowę nowego budynku Roche Building 1 w Bazylei, który jest obecnie najwyższym drapaczem chmur w Szwajcarii. Wyraźny, monumentalny wygląd we wczesnych godzinach porannych wynika z absolutnie czystej, białej powierzchni lameli chroniących przed słońcem, co stanowi zarówno niepowtarzalny widok budynku, jak i podkreśla zalety projektowe fasady CCF.

Aby ocenić jak najwięcej czynników wpływających na wydajność elementów fasady CCF, zlecono dwóm niezależnym firmom badawczym wykonanie makiet CCF oraz elementów w ramach dwuetapowej procedury weryfikacji właściwości tego typu fasady dla firmy Roche.

Ponadto instytuty badawcze zweryfikowały eksperymentalnie elementy fasady CCF, zbadano także interakcję z użytkownikami i instalacjami HVAC.

Rys. 12. Pomiary kalorymetryczne w ift Rosenheim (źródło: ift Rosenheim)

Rys. 13. Widok z boku elementu fasady, na którym umieszczono znacznik (źródło: Buswerk, Monachium)

6. Lamele chroniące przed słońcem jako element kluczowy
Oprócz badania wpływu różnych lameli przeciwsłonecznych na dopływ światła słonecznego/dziennego do pomieszczeń, w instytutach badawczych przeprowadzono długotrwałe testy skuteczności ochrony przeciwsłonecznej.

Przeprowadzono również badania kalorymetryczne, aby zapewnić utrzymanie wartości g w określonych granicach. W teście długotrwałym badano również możliwe wpływy na elementy poruszane mechanicznie i właściwości eksploatacyjne żaluzji przeciwsłonecznych, zgodnie z zasadami określonymi w dyrektywie ift VE 07 dotyczącej takich testów.

Nowatorska metoda testowania żaluzji kierujących światło w określonym kierunku (w zależności od pozycji poszczególnych lameli) została sprawdzona, w różnych pozycjach ustawienia lameli, pod względem ich dokładności kątowej i powtarzalności wyników próbnych.

Sprawdzenie to było możliwe dzięki sterowanemu cyfrowo urządzeniu fotometrycznemu. Na rys. 13 pokazano element fasady z wbudowaną szybą do skanowania bocznego i znacznikami.

Znacznik ten został zarejestrowany za pomocą aparatu cyfrowego i przeanalizowany w programie komputerowym oraz w postaci graficznej (ryc. 14, oś y = wartość kąta, odcięta = wartość czasu).

Dzięki tym testom można było poczynić istotne spostrzeżenia dotyczące dalszej optymalizacji całego systemu. Dotyczyły one nie tylko usprawnień technicznych w urządzeniach podwieszanych, ale także „uszczegółowień” w oprogramowaniu sterującym ochroną przeciwsłoneczną.

Rys. 14. Zapis kąta nachylenia wydłużonej listwy w czasie (źródło: Buswerk, Monachium)

Rys. 15. Richti Areal, CH Wallisellenstrasse, fasada CCF z kurtynami przeciwsłonecznymi

7. Patrząc w przyszłość
Powrót do superizolowanych, zamkniętych systemów fasadowych bez opcji ręcznej wentylacji okiennej, ale za to z wyłączonymi funkcjami kontrolowanej wentylacji i odzysku ciepła, a także ograniczenie przezroczystych części fasady, to przyszłościowy sposób na realizację energooszczędnych i atrakcyjnych wizualnie przegród zewnętrznych budynków.

W obliczu coraz bardziej ograniczonych zasobów energetycznych rozwój nowych, obiecujących technologii jest obecnie ważniejszy niż kiedykolwiek wcześniej. Typ fasady i układ nowej elewacji ukończonego budynku 1, obecnie projektowanego budynku 2 oraz nowego centrum PRed firmy Roche w Bazylei są dobrymi przykładami dalekowzrocznych i perspektywicznych – wybiegających w przyszłość projektów budynków.

Z technicznego punktu widzenia duży potencjał tkwi w zastosowaniu coraz wydajniejszych typów osłon przeciwsłonecznych o ulepszonych właściwościach kontroli dostępu światła lub w kreatywnym wykorzystaniu zupełnie nowych rozwiązań w zakresie ochrony przeciwsłonecznej, takich jak wysokiej jakości kurtyny/zasłony przeciwsłoneczne o indywidualnym wyglądzie.

Nowy, innowacyjny typ fasady CCF jest w naszej ocenie krokiem we właściwym kierunku i bez wątpienia nową, kluczową technologią w projektowaniu fasad dwupowłokowych (typu „podwójna skóra”) w XXI wieku. 

 Valentin Balog

Artykuł został oparty na wykładzie zaprezentowanym na Konferencji GLASS PERFORMANCE DAYS 2019, która odbyła się w dniach 26-28 czerwca 2019 r. w Tampere w Finlandii

Całość artykułu w wydaniu drukowanym i elektronicznym 

Inne artykuły o podobnej tematyce patrz Serwisy Tematyczne 
Więcej informacji:  Świat Szkła 6/2022