Fasada budynku. Rola, funkcje i znaczenie w różnych strefach klimatycznych
Fasada budynku to coś więcej niż tylko zewnętrzna powłoka. To materialna granica między wnętrzem a zewnętrzem, pełniąca kluczowe funkcje w zależności od strefy klimatycznej i regionalnych tradycji. Chroni przed intruzami, oddziela strefy termiczne, zabezpiecza przed wiatrem, deszczem i śniegiem. Może być otwarta, przezierna lub szczelnie zamknięta, a także zdradzać status społeczny, zamożność, pochodzenie oraz zainteresowania mieszkańców. Dowiedz się, jak fasada wpływa na komfort życia i jakie pełni role w różnych częściach świata.
Spis treści
- Początki współczesnych elewacji
- Bioklimatyczne projektowanie, integracja zieleni z architekturą
- Orientacja elewacji a promieniowanie
- Tektonika elewacji
- Przeszklenia a komfort i efektywność energetyczna
- Energia ze słońca
- Podsumowanie
- Rola fasady. Zdjęcia
Ta proporcjonalnie niewielka część budynku – cienka, co najwyżej kilkudziesięciocentymetrowa powłoka – skupia w sobie wiele decyzji projektowych, które określają relację obiektu z jego otoczeniem. W tym artykule spojrzymy na tę granicę z perspektywy komfortu i energetyki budynku oraz tego, jakie parametry fasady mogą wpływać na jego dobre funkcjonowanie. Najpierw sięgniemy do początków projektowania fasad w kontekście komfortu, przy czym pominiemy tu energię operacyjną budynku – pierwsze projekty nie miały jeszcze systemów centralnego ogrzewania ani wentylacji, a zatem nie zużywały prądu. Kolejno przyjrzymy się parametrom, które wpływają na performatywność budynku w oparciu o przykłady z pracy projektowej w firmie Dosta Tec.
Początki współczesnych elewacji
Początków współczesnych elewacji odpowiadających na klimat możemy szukać już prawie 100 lat temu. Daniel A. Barber, badacz architektury z Uniwersytetu w Pensylwanii, wskazuje na Le Corbusiera i jego projekt zabudowy mieszkaniowej w Barcelonie (Lotissements) z 1931 r. W książce „Modern Architecture and Climate: Design Before Air Conditioning” pisze: „Lotissements były, jeśli nie pierwszym, to znaczącym, wczesnym przykładem pewnego społecznego i technicznego podejścia do projektu elewacji budynku.
W myśl tego projektu elewacja starała się zaaklimatyzować wnętrze, używając środków architektonicznych (zewnętrznych), a tym samym poprawić jakość życia. Fasadę rozumiał on [Le Corbusier – red.] jako mechanizm mediacji klimatycznej. Włącza ona ten projekt do historii modernizmu architektonicznego (jasno określając relację historii z przeszłością architektoniczną), a równocześnie wpisuje się w bardziej ogólną historię metod projektowania, innowacji materiałowych oraz uwagi na systemy”.
Lotissemnets wydają się architektoniczną wprawką przed projektem Dom-Ino, Jednostką Marsylską oraz przed spopularyzowaniem brise-solei – łamaczy słońca. Projekt w Barcelonie bada sprawczość architektury i jej relację z różnymi aktorami: ludźmi, słońcem, hałasem czy prywatnością. Pokazuje, jak poszczególne parametry fasady mogą wpływać na działanie całego budynku i życie mieszkańców. Przyjrzyjmy mu się bliżej, aby dostrzec kunszt projektów modernisty, a zarazem zyskać argument w dyskusji, że można projektować bez zbędnych systemów wentylacji mechanicznej czy klimatyzacji.
Znacznie wycofany względem wyższych kondygnacji budynku parter tworzył głęboki, zadaszony taras otwarty na ogród. Na pierwszym i drugim piętrze Le Corbusier zaprojektował tarasy otwarte na pokoje, które zostały połączone z klatką schodową. Ta zaś wynosiła się nad budynek i działała jak szacht wentylacyjny. Powietrze było ciągle wymieniane, wędrowało od elewacji przez pokoje po dach. Balkony na drugim i trzecim piętrze były chronione przez poziome żyletki, które latem zapewniały cień. Przekrój przez budynek pokazuje, że były one cofnięte względem lica budynku, a to wskazywałoby na integralność systemu z architekturą budynku. Żaluzje nie były dekoracją, ale integralną częścią „maszyny do mieszkania”.
Oba piętra miały zacienienia złożone z czterech par żyletek, które mogły ustawiać się w następujących pozycjach: przewrócone do góry, przekręcone w dół, pionowe (elewacja zamknięta), poziome (elewacja całkowicie otwarta). Ustawienia miały zależeć od pory roku i dnia. Podobne projekty powstały na początku XX w. w wielu miejscach na świecie. Szybki rozwój i dalsza kolonizacja (dosłowna i kulturowa) krajów znajdujących się w klimacie tropikalnym prowokowały do nowych rozwiązań architektonicznych.
Warto tutaj wymienić również ikoniczny budynek Instituto de Resseguros do Brasil (Brazylijski Instytut Ubezpieczeń Społecznych) z lat 30., projektu MM Roberto, czy budynek Ministerstwa Edukacji i Zdrowia, zaprojektowany w tym samym okresie przez zespół prowadzony przez Lucio Costę i Oscara Niemeyera – oba w Rio de Janeiro.
Rysunki Costy pokazują jego wstępne analizy słoneczne, a także to, w jaki sposób fasada może być filtrem pomiędzy różnicami temperatur na zewnątrz i wewnątrz. Nieco później takie podejście do projektowania wykazują Jane Drew i Maxwell Fry w Ghanie, Pancho Guedes w Mozambiku albo Witold Cęckiewicz i Stanisław Deńko w projekcie Ambasady Polski w New Delhi.
Bioklimatyczne projektowanie, integracja zieleni z architekturą
Współcześnie warto zwrócić uwagę na prace wietnamskiej pracowni VTN, która tworzy projekty silne osadzone w lokalnym klimacie. Elewacja budynku Atlas Hotel w Hoian wyraźnie wskazuje na wytyczne projektu: dbałość o komfort użytkownika i zminimalizowanie zużycia energii elektrycznej. Donice rozmieszczone wzdłuż fasady hotelu nie tylko zapewniają osłonę przed słońcem, lecz także umożliwiają wentylację pomieszczeń powietrzem chłodzonym przez rośliny. Zewnętrzne ściany z perforowanego kamienia przepuszczają światło dzienne, nie blokując naturalnego przepływu powietrza. Takie rozwiązanie pozwala na wentylację krzyżową pomieszczenia, minimalizując użycie klimatyzatora.
Wykorzystanie zielonych i naturalnych elementów uosabia szczególne zainteresowanie architektów koncepcją „Domu dla Drzew”. Zgodnie z jej założeniami zintegrowanie zieleni z projektowaniem to sposób na odmłodzenie obszarów miejskich i przyczynienie się do poprawy społecznych relacji. Pozwala budować relacje biofiliczne człowieka z architekturą (hipoteza biofilii mówi o niezbywalnej potrzebie człowieka, by tworzyć relację z przyrodą) – drzewa na elewacji nie są dekoracją, ale integralną częścią architektury.
Opisane wyżej projekty pokazują, że to właśnie fasada stawała się materialną reprezentacją klimatu. Z jej elementów możemy wyczytać m.in., jakie panują na danym terenie lata, a jakie zimy. Pokazuje również relacje pomiędzy klimatem a kulturą i rozwojem społeczeństwa. Szczególnie jest to widocznie w przypadku modernistycznych budynków administracji publicznej lub współczesnych międzynarodowych korporacji, w których szklane ściany stanowią wyraźną płaszczyznę oddzielającą świat zachodni od lokalnej rzeczywistości.
Bioklimatyczne projektowanie w dużej mierze skupia się właśnie na elewacji. Ta w wyniku wielu tarć zmieniła swoją funkcję – zamiast zapisywać informacje o klimacie, informowała o statusie społecznym czy prądach w sztuce. Wynika to z wielu przyczyn. Jedną z nich z pewnością były tanie paliwa, które pozwalały na szybki rozwój techniki systemów wentylacji, klimatyzacji i ogrzewania. Ten sam model architektoniczny teoretycznie (bo wysokim kosztem środowiskowym) mógł być powielany w każdym miejscu. Inną było powstanie ASHRAE (The American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers) i określenie jednolitych standardów komfortu, bez względu na szerokość geograficzną.
Brak rozwiązań bioklimatycznych i określenia uniwersalnych warunków komfortu wiązał się z dalszym zwiększaniem zapotrzebowania na energię elektryczną. Jak wskazuje Susan Roaf, brytyjska badaczka architektury, to właśnie w interesie ASHRAE leżało również rozpowszechnienie standardów, a to wiązało przekładało się na większy wpływ inżynierów od wentylacji i klimatyzacji na to, jak budujemy. W obliczu kryzysu środowiskowego i energetycznego musimy przestudiować ponownie przede wszystkim architekturę bioklimatyczną i wernakularną. Tam właśnie znajdziemy rozwiązania testowane odpowiednio przez dziesiątki i setki lat. Ich zastosowanie sprawi, że fasada znów stanie się wizualną reprezentacją klimatu. Przyjrzyjmy się zatem kluczowym parametrom związanym z elewacją.
Orientacja elewacji a promieniowanie
Pierwszym parametrem wymagającym zbadania jest orientacja elewacji – północna, południowa, wschodnia i zachodnia. Należy ją przeanalizować w kontekście rozkładu bezpośredniego promieniowania, które najbardziej wpływa na nagrzewanie się materiałów. Promieniowanie odbite również nagrzewa elewację, ale w znacznie mniejszym stopniu. Właśnie takie badanie przeprowadziliśmy w Dosta Tec w ramach wstępnych studiów dla projektu w Porto. Obliczenia pokazały, że w centrum o niewysokiej zabudowie ilość godzin promieniowania słonecznego padającego na elewację znacznie się różni – w zależności od orientacji fasady.
Różnica pomiędzy elewacją południową a wschodnią sięgała aż 104 proc., a pomiędzy elewacjami wschodnią a zachodnią 12 proc. W skali roku również były widoczne znaczne różnice. Na przykład elewacja wschodnia otrzymuje aż 79 proc. promieniowania wiosną w porównaniu do zimy. Takie dane pozwalają podejmować pierwsze decyzje projektowe o orientacji budynku, jego proporcjach i zwartości.
Jeśli pójdziemy krok dalej, możemy promieniowanie bezpośrednie powiązać z wyborem systemu elewacyjnego. W Arabii Saudyjskiej, w klimacie pustynnym, o dużej ilości promieniowania słonecznego bezpośredniego badania pokazują, że przy zastosowaniu podwójnej elewacji z materiałem zmiennofazowym (PCM – czyli substancją, która jest w stanie absorbować, akumulować i uwalniać dużą ilość energii na jednostkę masy w zakresie temperatury przemiany fazowej; np. zmiana z gazu w ciecz) intensywność energetyczna (zużycie energii na powierzchnię budynku) rośnie o 11,5 proc. w zimnych miesiącach roku i spada o 5,6 proc. w ciepłych miesiącach roku w porównaniu do elewacji pojedynczej.
Warto w tym kontekście przywołać analizy prowadzone w mieście Tabuk; tam zastosowanie elewacji kurtynowej i kurtynowej z PCM zmniejsza wymaganą energię grzewczą odpowiednio o 18 i 40 proc., zwiększa wymaganą energię chłodzenia o 5 proc. (elewacja kurtynowa) i zmniejsza ją o 25 proc. (elewacja kurtynowa z PCM) w porównaniu z prostą fasadą.
Tektonika elewacji
To kolejny czynnik, który wpływa na zapotrzebowanie energetyczne budynku. Możemy to zauważyć, porównując elewacje płaską i schodkową. Badania przeprowadzone na potrzeby szwajcarskiego programu certyfikowania Minergie pokazują ilość energii potrzebnej do funkcjonowania budynku. Gdy słońce znajduje się stosunkowo wysoko, od wiosny do jesieni, balkony i okapy chronią wnętrza przed nagrzewaniem się, zimą zaś, gdy słońce znajduje się nisko, ogrzewają wnętrza. Takie rozwiązanie sprawdza się przede wszystkim w miejscach, gdzie latem temperatura przekracza granice komfortu cieplnego.
Inaczej ma się kwestia w Szwajcarii (położonej pomiędzy 45 a 47 równoleżnikiem szerokości północnej), gdzie schodkowe elewacje, nawet bez tymczasowych zacieniaczy, pozwalają na jesienne i wiosenne nagrzewanie, oszczędzając nawet 10 proc. energii elektrycznej. Taka elewacja nie sprawdza się w miejscach o cieplejszym klimacie ani w miejscach, w których kąt padania promieni słonecznych jest zbyt duży (szerokości bliskie równikowi).Warto w tym miejscu przywołać projekt zabudowy mieszkaniowej Rua Macau portugalskiej pracowni hori-zonte. Architekci zaproponowali elewację schodkową – kolejne tarasy zwiększają się ku dołowi. Pozornie to rozwiązanie jedynie estetyczne, ale symulacje pokazały, że właśnie dzięki niemu można zyskać na wydajności energetycznej budynku.
Przeszklenia a komfort i efektywność energetyczna
Jednym z najważniejszych elementów fasady są jej otwory: okna, drzwi (w tym balkonowe) oraz związane z nimi: markizy, okiennice, łamacze słońca i żyletki. Oprócz nich istotne są również m.in. materiał (i jego współczynnik przenikalności cieplnej) oraz możliwe mostki termiczne. Każdy z tych elementów charakteryzuje zestaw parametrów, który wpływa zarówno na efektywność energetyczną budynku, jak i komfort użytkowników.
Pierwszym, który należy przeanalizować, to wielkość i pozycja okien. Architekci często mówią o oknach na południe, które w Polsce powinny być możliwie duże, oraz o tych od północy, które tradycyjnie projektowało się jako małe albo się ich unikało. Sięgając jednak do odpowiednich narzędzi parametrycznych, możemy te wielkości sprawdzić i zoptymalizować.
Takie studium przeprowadziliśmy dla projektu w Szwajcarii, inwestycji nad brzegiem Jeziora Genewskiego. Szukaliśmy relacji pomiędzy wielkością okien a komfortem oraz energooszczędnością budynku. W projekcie kilkupiętrowej zabudowy mieszkaniowej trzeba było spełnić wymagające parametry określone przez lokalny program certyfikacji Minergie. Analizowane przez nas pomieszczenia wychodzące na północ zostały policzone tak, aby znaleźć równowagę pomiędzy potrzebą światła dziennego a potrzebą ogrzewania.
W przypadku pomieszczeń wychodzących na południe większa powierzchnia okien zapewnia lepszą efektywność energetyczną, chociaż zwykle istnieje ograniczenie rozmiaru okien dla tego rozwiązania w zależności od konkretnego projektu i lokalizacji. W analizowanym studium widać, że do pełniejszego zrozumienia zależności pomiędzy parametrami projektowymi ważna jest szczegółowa analiza i przejrzysta prezentacja danych.
Wykresy, które pokazujemy ilustrują zależność między wielkością okna, a potrzebami grzewczymi w pomieszczeniach wychodzących na północ i południe. W projekcie wykazano m.in., że zwiększenie rozmiaru okna południowego o 50 proc. – z 1,5 m2 do 2,25 m2 – zmniejszyło roczne zapotrzebowanie na ogrzewanie o 9 proc. W oknie północnym ten sam wzrost wielkości przeszklenia powoduje wzrost zapotrzebowania na ogrzewanie o 11 proc.
Jak wskazuje Daniel A. Barber, łamacze słońca były jednym z komponentów niezbędnych do adaptacji projektu Dom-Ino do różnych klimatów i potrzeb. W latach dwudziestych, kiedy kształtował się modernizm, zaczęto je testować. Dopiero później, w latach sześćdziesiątych, wraz z rozwojem architektury bioklimatycznej architekci i inżynierowie badali je bardziej szczegółowo.
Tutaj na szczególną uwagę zasługują prace Victora Olgyaya opracowane w książce „Architecture and Climate”. Podzielił on łamacze na trzy typy: poziome, pionowe i mieszane (ang. eggcrate). Do poziomych należą m.in.: pełne rzutniki cienia, żaluzje poziome, markizy, żaluzje na rzutnikach cienia, poziome ekrany odsunięte od elewacji, ruchome żaluzje poziome. Wśród pionowych: wertykalne żaluzje stałe, obrócone i ruchome. Z kolei do mieszanych zaliczył symetryczne, asymetryczne i ruchome.
Mnogość rozwiązań formalnych i estetycznych, które zostały opracowane przez ostatnie kilkadziesiąt lat, pozwala używać gotowych wzorców. Tym bardziej że wiele z nich zostało skomercjalizowanych i stały się łatwo dostępnymi produktami. Często jednak takie artefakty architektoniczne zostały zredukowane do ich walorów estetycznych, a nie funkcjonalnych. Fasada przestaje wtedy być zapisem klimatu, a staje się kolejną opowieścią o architektonicznej formie. A przecież każda elewacja tworzy inne relacje ze środowiskiem i powinna je odzwierciedlać również w wielkości, kącie obrotu i rozłożeniu żaluzji.
W jednej z analiz Dosta Tec porównano dwa budynki w centrum Warszawy o podobnej geometrii – jeden, z rozwiązaniami bioklimatycznymi, a drugi typowy, przeszklony shoebox. Wyniki pokazały, że efektywność energetyczna wzrasta przy zastosowaniu żaluzji, markiz, zmniejszeniu rozmiaru okien (w przeciwieństwie do modelu wyjściowego, gdzie proporcja okien do elewacji wynosiła prawie 80 proc.) i otwartego patio, które umożliwia wentylację krzyżową. Ogrzewanie zmniejsza się o 5 proc., a chłodzenie o 26 proc. – i to tylko z uwzględnieniem tych czterech pasywnych środków.
W celu dalszego zwiększenia efektywności energetycznej można wprowadzić inne środki, takie jak lepsze materiały izolacyjne i systemy odzyskiwania ciepła. Na rysunkach przedstawiono różnice między dwoma typami elewacji. Należy pamiętać, że każda fasada może mieć inne optymalne rozwiązania, dlatego na schemacie widoczna jest elewacja północna bez markiz, aby uniknąć blokowania odbitego promieniowania słonecznego.
W jednym z projektów, nad którym pracowaliśmy, we wstępnej fazie planowania zastosowaliśmy żyletki, badaliśmy ich rozkład na elewacji, sprawdzając optymalną wielkość, odległość i kąt obrotu (ten mógł być inny dla każdej elewacji). Poprawialiśmy wydajność energetyczną budynku i intensywność energetyczną, minimalizując koszt cyklu życia budynku. Elewacja składała się z dziewięciu płaszczyzn. Po optymalizacji wielkości, odległości i kąta obrotu zacieniaczy wyliczenia pokazały, że całkowity spadek ilości promieniowania na elewację wyniósł 9,15 proc. Jednocześnie drugie badanie dla jednego typu żaluzji pokazało spadek o 8,06 proc. w skali rocznej przy kącie 13° odchylenia od pozycji poziomej. Architekci zdecydowali się na jeden typ żaluzji głównie ze względu na łatwość ich produkcji i montażu. Studium pokazało również, że najtaniej obniżyć radiację przez użycie dużych elementów. Dla żaluzji 10-centymetrowych koszt energetyczny wynosił 63,50 kWh/m2/USD dla 48-centymetrowych 4,67 kWh/m2/USD.
Badanie radiacji jest tylko wstępnym etapem, który pozwala zarysować ogólną ideę. To szybki i szkicowy sposób w fazie koncepcyjnej projektu, a jednak kluczowy, bo właśnie wtedy najłatwiej wprowadzać znaczące zmiany projektowe. Dalsze studia, w tym tworzenie szczegółowych modeli energetycznych i światła dziennego, są potrzebne, aby szczegółowo przeanalizować możliwe problemy. Świetnym przykładem tego rodzaju „negocjacji” między słońcem a komfortem i energooszczędnością jest projekt pracowni Maria Cucinelli dla Chińsko-Włoskiego Centrum Edukacyjnego. Za główny cel projektanci postawili sobie redukcję dwutlenku węgla emitowanego w czasie użytkowania budynku. Aby to osiągnąć, wykorzystali wiele rozwiązań pasywnych i aktywnych. Szczególną uwagę zwracają przeskalowane łamacze słońca, które chronią zielone dachy.
Energia ze słońca
Kolejne rozwiązanie to zintegrowana fotowoltaika budynku (BIPV), czyli panele generujące energię elektryczną. Zaprojektowane są tak, aby wtapiały się w elewację i dach budynku (w przeciwieństwie do tradycyjnej fotowoltaiki, która jest montowana oddzielnie na dachu). Zastępują część tradycyjnych materiałów budowlanych, dlatego uzyskane dzięki temu oszczędności rekompensują ich stosunkowo wysoki koszt. Główną korzyścią jest jednak to, że znacząca ilość powierzchni wytwarzającej energię elektryczną może zapewnić istotne oszczędności (lub dochody) operatorom budynków.
Dostawcy paneli oferują wiele opcji ich kolorów i kształtów, aby estetycznie dopasować się do konkretnych projektów. Technologia jest ekonomicznie opłacalna oraz dostępna w Europie przy średnich kosztach około 450 euro/m2 w przypadku płytek elewacyjnych i 350 euro/m2 w przypadku dachu. Porównanie tych kosztów z kosztami ceglanych płytek ceramicznych – w cenie 240 euro/m2, lub łupków dachowych – w cenie 130 euro/m2 oraz zrównoważenie z energią elektryczną wytworzoną przez cały okres użytkowania obiektu pokazuje, że ogólny bilans jest korzystny.
Ciekawym przykładem zastosowania BIPV jest budynek Powerhouse Brattørkaia, zaprojektowany przez norweskie studio Snøhetta. Dach i elewację wykończono prawie 3000 m2 paneli słonecznych, które gromadzą tę energię słoneczną na użytek budynku. Dzięki nim wytwarza więcej energii niż jej zużywa przez cały okres swojego istnienia – nawet przy uwzględnieniu energii zużytej na budowę i tej przewidywanej na rozbiórkę, jest zatem budynkiem net-pozytywnym.Technologia traci pewną wydajność w porównaniu z tradycyjnymi modułami fotowoltaicznymi. Jest to jednak równoważone przez większą powierzchnię, którą można pokryć BIPV.
W jednym ze studiów, które przygotowaliśmy, wyliczenia pokazały, że współczynnik wydajności elektrycznej dla BIPV jest o 2-6 proc. niższy niż w przypadku tradycyjnego PV, przy analizie różnych materiałów dla każdego panelu. Oceniając możliwość umieszczenia instalacji na elewacjach i dachach, należy wziąć pod uwagę ich lokalizację. Nawet jeśli zainstalowanie paneli fotowoltaicznych jest zwykle ekonomicznie wykonalne w większości zurbanizowanych szerokości geograficznych, trzeba uwzględnić pewne wynikające z tego różnice. Na przykład w Warszawie metr kwadratowy technologii elewacji BIPV skierowanej na południe wyprodukuje około 800 kWh energii elektrycznej, podczas gdy w Alentejo (południowa Portugalia) liczba ta wzrośnie do około 1400 kWh.
Podsumowanie
Spojrzenie na elewację jako medium, które dzieli świat zewnętrzny i wewnętrzny oraz odseparowuje różne strefy termiczne, pokazuje, że dziś – w momencie kryzysu środowiskowego i energetycznego – musi ona odpowiadać na nowe problemy. Okno przestaje być tylko elementem łączącym wizualnie wnętrze z zewnętrzem, a staje się przegrodą termiczną. Tektonika elewacji, wielkość okien, elementy elewacji: żaluzje, łamacze słońca, okiennice, rozumiane są jako kolejne elementy energetycznej układanki. Ich odpowiednia konfiguracja pozwala zmniejszać zapotrzebowanie energetyczne budynku i zwiększać komfort użytkowników.
Rola fasady. Zdjęcia
Murowane starcie - posłuchaj naszych podcastów!
Listen to "Murowane starcie" on Spreaker.
