* Dr inż. arch. Piotr Kuczia projektuje w AGN Group, Groner Alee 100, 49479 Ibbenbüren wNiemczechiprowadzirównoleglewłasnądziałalnośćprojektowąwPolsceiNiemczech.

PIotrKUCZIA*

SoLArNAAKtYWACJABUDYNKÓW: 10roZWIĄZAŃStrUKtUrALNYCH

SoLArACtIVAtIoNoFBUILDINGS: 10StrUCtUrALSoLUtIoNS

S t r e s z c z e n i e

Postulat redukcjizużyciaenergiinieodnawialnychwbudynkachnabieraważnegoznaczeniawewspółczesnejgospodarce.Solarnaaktywacjabudynkówjestefektywnymśrodkiemprowa-dzącymdopoprawybilansu energetycznego.Analiza zrealizowanychobiektówhelioaktyw-nychprowadzidokonkluzji,żebędąceichpodstawązałożeniaprojektowesprowadzićmożnado10rozwiązaństrukturalnych.Sąoneuniwersalne,niezależneodstanutechnikiizezwalająnastylistycznąautonomię.Przedstawionerozwiązaniastrukturalnemogąbyćpomocnymna-rzędziemdlaprojektantówwewczesnychfazachprojektowych.Implementacjaichnatymeta-pieprocesuinwestycyjnegoniesiezesobąnajwiększypotencjałoszczędnościekonomicznychienergetycznych.

Słowa kluczowe: architektura solarna

A b s t r a c t

Energysavinginbuildingshasanincreasingimportanceinthecontemporaryeconomics.Solaractivationofbuildingsisaneffectiveinstrumentimprovingtheenergybalance.theanalysisofexistingsolarbuildingsconductstotheconclusionthatitispossibletopointout10mainstructuralconcepts,whicharethebasisoftheirdesign.theseconceptsareuniversal,independentofcurrentstateoftechnologyandtheyallowstylisticautonomyforthedesigners.thepresentedtypologyisausefultoolforarchitectsbydesigningofsolarbuildings.Implementingofthesesolutionsintheearlyprojectstagesisanefficientwaytoreducetheoperationcostsandtheenergyuse.

Keywords: solar architecture

128

1. Wstęp

Zewzględówpolitycznych,ekonomicznychispołecznychpostulatredukcjizużyciaener-giinieodnawialnychwbudynkachnabieracorazważniejszegoznaczeniawewspółczesnejgospodarce.Jegorealizacjaodbywasięnadwóchpłaszczyznach:poprzezograniczeniestratenergetycznychiintensyfikacjęwykorzystaniaenergiizeźródełodnawialnych.Pozyskiwa-nieenergiisłonecznejwbudynkachniesiezesobąznacznypotencjał,któryciągleniejestwykorzystywanywwystarczającymstopniu.

Niektórezachodnioeuropejskiekrajeopodobnymdonaszegoklimacieinasłonecznieniumogąposzczycićsiędługoletnimidoświadczeniamiiistotnymiosiągnięciamiwdziedziniearchitekturysolarnej.WśródnichprzodująNiemcy,AustriaiSzwajcaria.Wokresieostat-nich trzechdekadwybudowano tamsetki tysięcyobiektówkonsekwentniewykorzystują-cychenergięsłońca.

Analiza ponad trzystu zrealizowanych tamobiektówhelioaktywnych [1] prowadzi dokonkluzji,żebędąceichpodstawązałożeniaprojektowesprowadzićmożnadoprzedstawio-nychponiżej10rozwiązaństrukturalnych,zilustrowanychprzykładamizwłasnejpraktykiprojektowejautora:

2. Geometryczna optymalizacja budynku

Podstawowym sposobem intensyfikacji wykorzystania energii słonecznej i poprawykomfortuenergetycznegowewnętrzachbudynkujestjegogeometrycznaoptymalizacja.Po-legaonanaodpowiednimkształtowaniubryłyiprzegródzewnętrznych,atakżekorzystnympodwzględemenergetycznymrozmieszczeniupomieszczeń.Wpraktycesprowadzasięonadoczterechkluczowychśrodków:1.optymalizacjakształtubryłynapodstawiepostulatu„mini-max”,któregocelemjestogra-

niczeniestratciepłaimaksymalizacjapozyskiwanejenergiisłonecznej.obatezałożeniasąantagonistycznewzględemsiebie:imwiększapowierzchniapozyskującaenergię,tymwiększepotencjalnestratyciepła.optymalnabryła jestzawszewynikiemkompromisupomiędzynimi.

2.Strefowaniemikroklimatyczne,polegającenagrupowaniuirozmieszczeniupomieszczeńoodmiennychwymaganiachmikroklimatycznymitemperaturowychwtakisposób,abymaksymalizowaćpasywnezyskisolarneizminimalizowaćstratyciepła,zachowującprzytymkomfortwewnętrzach.W środkowoeuropejskiej strefie klimatycznejwiąże się toprzeważniezumieszczeniempomieszczeńużytkowychodstronbudynkunaświetlanychprzezsłońce,apomieszczeńpomocniczych,gospodarczychlubtechnicznych–odstronypółnocnej.

3.optymalizacjaudziałupowierzchniprzegródzewnętrznychprzepuszczającychświatłodoczęścimasywnych, czyliw uproszczeniu duże otwory okienne od strony południowejimałeodpółnocy.

4.optymalnerozmieszczenieurządzeńsolarnych(ogniwafotowoltaiczne,kolektory iza-sobnikiitd.)ijaknajkrótszedrogiprzewodówinstalacyjnych.

129

Il.1,2.Geometrycznaoptymalizacjabryłybudynku–domwCzerepowcu(rosja), projektautorskiarch.P.Kuczia(wizualizacjaA.Pluta)

Ill.1,2.Geometricaloptimisingofthebuilding–houseinCherepovets(russia), designarch.P.Kuczia(renderingA.Pluta)

2. Solarne struktury addytywne

Solarnestrukturyaddytywnetododanedoprzegródzewnętrznychsystemy,służącedopozyskiwaniaenergiisłonecznej.Nieprzejmująoneaniniezastępująistotnychfunkcjisa-mychprzegród.typowymprzykłademtakichrozwiązańsąkolektorysłonecznelubbaterieogniw fotowoltaicznychmontowane na konstrukcjach podkładowych na powierzchni da-chów lub elewacji. obecnie jest to podstawowy sposób helioaktywnej aktywacji budyn-ków.rozwiązania tesąkontrowersyjnepodwzględemformalnym,gdyżczęstosprawiająwrażenieobcychelementówdodanychdobudynków.Zaletąelementówaddytywnychjestmożliwośćpodjęciadecyzjiodnośniedorodzajuiwielkościzastosowanegosystemu,takżewpóźniejszychfazachprocesuinwestycyjnego.

Il.3.Kolektorydachowejakostrukturyaddytywne–domwPszczynie,proj.autorski.arch.P.Kuczia(fot.D.Zuber)

Ill.3.Solarpanelsasadditivestructure–houseinPszczyna(Poland),designarch.P.Kuczia (photobyD.Zuber)

130

4. Solarne struktury zintegrowane

W odróżnieniu od elementów addytywnych solarne struktury zintegrowane przejmują część funkcjonalnych i technicznych zadań przegród zewnętrznych. Oprócz tego, że pozy-skują one energię słoneczną, pełnią jednocześnie funkcję materiału fasadowego lub pokry-cia dachowego. Zastępując przegrody zewnętrzne lub ich części, mogą przyczynić się do redukcji kosztów inwestycji. Przykładem są ogniwa fotowoltaiczne zintegrowane w szyby przeszkleń – nie tylko przetwarzają one energię słoneczną na prąd, ale chronią także przed nadmiarem promieni słonecznych we wnętrzach.

Il. 4, 5. Solarne struktury zintegrowane – Rhein-Neckar-Arena w Sinsheim (Niemcy), koncepcja arch. P. Kuczia w AGN (fot. AGN)

Il. 4, 5. Integrated solar structures – Rhein-Neckar-Arena in Sinsheim (Germany), preliminary design arch. P. Kuczia for AGN (foto by AGN)

5. Szklarnie

Szklarnia jest jednym z archetypów architektury solarnej – wykorzystanie efektu cieplar-nianego w budynkach sięga czasów starożytnego Rzymu. Swój burzliwy rozwój szklarnie przeżyły w XVIII-wiecznej Anglii. Obecnie jest to jedno z najbardziej rozpowszechnionych rozwiązań helioaktywnych – w samych Niemczech realizowanych jest rocznie około 30 ty-sięcy sztuk. Obok tradycyjnych przegród ze szkła stosuje się także tworzywa sztuczne w po-staci płyt komorowych lub membran foliowych. Szklarnie mogą być dodane do budynku lub z nim zintegrowane. Mogą być powiązane z pozostałymi pomieszczeniami budynku, bądź też czasowo lub stale od nich oddzielone. Ściany zewnętrzne szklarni całkowicie po-wiązanych z innymi pomieszczeniami muszą charakteryzować się dobrymi właściwościami termoizolacyjnymi, szklarnie czasowo lub stale oddzielone od reszty budynku mogą mieć gorsze parametry termoizolacyjne. W celu ochrony wnętrz szklarni przed przegrzewaniem konieczne jest zapewnienie odpowiedniego systemu zacieniania oraz wydajnej wentylacji.

131

Il.6,7.Szklarnia–domekekologicznynadJezioremŁąckim,projektautorskiarch.P.Kuczia (fot.t.Pikula)

Ill.6,7.Wintergarden–greenhouseonLakeŁąka(Poland),designarch.P.Kuczia (photobyt.Pikula)

6. Budynek w budynku

Koncepcja„budynkuwbudynku”jestkulminacjąrozwojuideiszklarni.Szklarniaprze-stajebyćwtymprzypadkudołożonymodnasłonecznionejstronyelementem,leczstajesięnajistotniejszączęściąobiektu.Budynekwbudynkutostrukturaprzestrzenna,wktórejwła-ściwaczęśćfunkcjonalna,tzw.rdzeń(wpostacijednegolubgrupybudynków),otoczonajestprzepuszczającąświatłoprzegrodązewnętrzną.Pomiędzyrdzeniemazewnętrznąprzegrodąosłonowąpowstajeprzestrzeńbuforowaocharakterzeużytkowym.Zewnętrznaprzezroczy-staprzegrodapasywniepozyskujeenergięsłonecznąiograniczastratyciepłazrdzenia.Po-nadtochronionaprzedwpływamiatmosferycznymiiemisjamizzewnątrz.Ideabudynkuotoczonegowcałościszklarniąniejestnowa.Spotykasięjąm.in.wfuturystycznychprojek-tachlat60.,np.wszklanychkopułachFullera.

7. Solarne sfery

Solarna sfera to budynek, w którym nadziemne przegrody zewnętrzne wykonane sąz przepuszczających światło słoneczne materiałów i w którym zdecydowana większośćwnętrzprzylegabezpośredniodotychprzegród.Wodróżnieniuodpoprzedniegorozwiąza-niawewnątrzsolarnejsferypowstajeprzestrzeńojednolitychwarunkachmikroklimatycz-nych.Przezroczystaprzegrodazewnętrzna(ścianyidach)musispełniaćwszystkieistotnedla siebie funkcje: chronićprzedwpływamiatmosferycznymi,hałasem,ograniczać stratyciepłaitd.

132

8. Przeszklone atria

Atrium to ograniczone przezroczystymi przegrodami zewnętrznymi – dachem i czę-ściowo ścianami – pomieszczeniewewnątrz budynku. Zwykle rozpościera się ono przezwiększośćkondygnacjibudynkuisięgaprzyziemia.KorzeniewspółczesnegoatriumsięgająpoczątkówXIXw.,kiedytopojawiłysiężeliwno-szklaneprzeszkleniawewnętrznychpo-dwórek.Podwzględemenergetycznymatriumspełniakilkafunkcji:jestelementempasyw-niepozyskującymenergięsłoneczną,pełnirolębuforatermicznego,masywneelementybu-dowlanewewnątrzatriumakumulująciepło,odpowiedniozwymiarowaneirozmieszczoneotworywprzegrodachatriumstymulująnaturalnąwentylacjęwnętrz.

Il.8.Atrium–zeroenergetycznybudynekbadawczo-edukacyjny3EweWrocławiu, projektautorskiarch.P.Kuczia(wizualizacjaA.Pluta)

Ill.8.Atrium–researchandeducationalbuilding3EinWroclaw(Poland), designarch.P.Kuczia(renderingA.Pluta)

9. Pojedyncze i podwójne przegrody zaktywowane solarnie

Pojedynczeprzegrodyzaktywowanesolarnietoprzepuszczająceświatłojednopowłoko-ietoprzepuszczająceświatłojednopowłoko-wefasadyidachylubichczęści,zaprojektowanewcelupasywnegopozyskiwaniaenergiisłonecznej.Wykazują się one dodatnimbilansem energetycznym i powinny jednocześniezapewnićodpowiednikomfort użytkowywewnętrzach.Choćpotencjalniekażda szklanaściana kurtynowa lub oknomożebyć przegrodą zaktywowana solarnie,wpraktycemusionaspełniaćliczne,czasamiprzeciwstawnewymagania.Donajważniejszychznichnależą:umożliwieniezyskówsolarnych,zapewnienieodpowiedniejizolacjitermicznejwceluogra-niczeniaucieczkienergii,zabezpieczenieprzednadmiernąinsolacją,zapewnienieodpowied-niegodoświetleniawnętrz.

Podwójne przegrody zaktywowane solarnie to ściany lub dachy, które składają sięzdwóchprzezroczystychkurtyn,oddzielonychodsiebieprzestrzeniąpowietrznąitworzą-cychwspólniezewnętrznąprzegrodębudynku.Wpraktycenajczęściejspotykasięjejakosystemyfasadowe:oddzieloneodsiebienakażdejkondygnacji,systemywielokondygnacyj-nelubjakoichkombinacje.Podwójnefasadyidachysądrogie,aichenergetycznaprzewagawstosunkudonowoczesnychfasadpojedynczychjeststosunkowoniewielka.oszczędno-ści eksploatacyjne pojawiają się dopiero, kiedy ich zastosowanie prowadzi do rezygnacjizklimatyzacji lubwentylacjimechanicznejnarzeczwentylacjinaturalnej(np.chłodzenieprzezotwarteoknanocąprzyjednoczesnymzabezpieczeniuprzedwłamaniem).Swojeuza-

133

sadnienieznajdująonewbudynkachwysokościowych(problemyzoddziaływaniemwiatrunaosłonyprzeciwsłoneczne)lubwprzypadkuobciążeniahałasem.Wostatnichkilkunastulatachodegrałyoneznaczącąrolęwrozwojuarchitektury.

Il.9,10.Przegrodyzaktywowanesolarnie–centralaFritzBergerAGwNeumarkt(Niemcy),

koncepcjaarch.P.KucziawAGN(fot.AGN)

Ill.9,10.Singlesolaracitvatedglaswalls–FritzBergerAGinNeumarkt(Germany),preliminarydesignarch.P.KucziaforAGN(photobyAGN)

10. Kominy solarne

Kominysolarnewykorzystująefektfizyczny,wwynikuktóregoogrzane(przezSłońce)powietrzeunosisięwgóręwodpowiedniozaprojektowanychprzestrzeniachwewnątrzbu-dynku,awjegomiejscenapływaświeżepowietrzezzewnątrz.Podobniejakwpoprzednimprzypadku, rozwiązanie toobniżazużycie energiipotrzebnejdoprzemieszczania, a takżepodgrzewania lub chłodzeniamas powietrzaw budynku.Kominy solarnemogą spełniaćdodatkowofunkcjękanałówoddymiających.Grawitacyjnyruchpowietrzawspomaganyjestczasemumieszczonyminadachuaerodynamicznymiprofilami(spojlerami).

Il.11,12.Kominysolarne–zeroenergetycznybudynekbadawczo-edukacyjny3EweWrocławiu,projektautorskiarch.P.Kuczia(wizualizacjaA.Pluta)

Ill.11,12.Solarchimneys–researchandeducationalbuilding3EinWroclaw(Poland), designarch.P.Kuczia(renderingA.Pluta)

134

11. Ruchome struktury solarne

Budynki lub ich części podążające za ruchem słońca są rozwiązaniem kosztownym,idlategostosujesięjerzadko.reagującenasłońceruchomeelementymogąchronićprzednadmiernąinsolacją,ustawiaćsięwoptymalnympołożeniuwzględemsłońca(wcelumak-symalizacjizyskówsolarnych)lubteżspełniaćobapowyższezadaniajednocześnie.

Spotykasięjewpostaci:ruchomychaktywnychurządzeńsolarnych,heliostatówisys-temów kolektorowo-reflektorowych oświetlenia dziennego, przesuwnych lub obrotowychczęścielewacji,obrotowychdachówlubichczęścilubobrotowychbudynków.

Il.13.ruchomeosłonyprzeciwsłonecznezfotoogniwami–budynekbadawczo-edukacyjny3E weWrocławiu,projektautorskiarch.P.Kuczia(wizualizacjaA.Pluta)

Ill.13.rotatablesunprotectionwithphotovoltaics–researchandeducationalbuilding3E inWroclaw(Poland),designarch.P.Kuczia(renderingA.Pluta)

12. Wnioski

Wliteraturzebrakowałodotychczasusystematyzowanejtypologiirozwiązańsolarnych.Stosowanyzwyklepodziałnasystemypasywne iaktywneodnosi sięgłówniedoenerge-tycznego sposobu pozyskiwania energii słonecznej i nie odzwierciedla gamymożliwościprojektowych.

typologia przedstawiona powyżej jest uniwersalna, niezależna od panującej stylistykilubstanutechnikiiodnosisiędowszelkiegorodzajubudynków,niezależnieodichfunk-cji iprzeznaczenia.Znajomość tychelementarnychrozwiązańmożebyćbardzopomocnadlaprojektantów,dostarczającimpełnywachlarzopcjiprojektowychwtworzeniubudynkusolarnego.Imwcześniejszafazaprojektu,wtrakciektórejzostająoneuwzględnione, tymwiększyjestpotencjałoszczędnościekonomicznychienergetycznych[2].

L i t e r a t u r a

[1]K u c z i a P., Tendencje rozwojowe architektury solarnej na przykładzie realizacji w Niemczech,pracadoktorska,Politechnikaśląska,Gliwice2008.

[1]K ö n i g H,K o h l e r N.,Lebenszyklusanalyse in der Gebäudeplanung,InstitutfürIn-ternationaleArchitektur-Dokumentation,München2009.