Ekobudynki wysokie

Najnowsze pomysły budownictwa ekologicznego przekraczają granicę zeroenergetyczności i dotyczą budynków, które nie tylko nie potrzebują żadnej energii z zewnątrz do zasilania swoich systemów, ale nawet produkują energię, którą mogą oddawać innym.

Pierwszym przykładem budynku plusenergetycznego jest Heliotrop. Zbudowany on został w 1994 r. we Freiburgu jako prywatna rezydencja architekta Rolfa Discha.

Heliotrop jako pierwszy budynek na świecie wytwarza więcej energii niż zużywa (a ta zużywana przez niego energia jest w całości odnawialna), a ponadto nie emituje do atmosfery żadnych związków, nawet dwutlenku węgla (FOT. 1). Budynek podąża za słońcem dzięki możliwości obracania się, co pozwala na maksymalne wykorzystanie naturalnego światła i ciepła słonecznego.

Po sukcesie Heliotropu zaczęły powstawać kolejne budynki plusenergetyczne, a z czasem koncepcja ewoluowała. Zrodziły się pomysły na hotele, obiekty wielorodzinne, a także hale ekspozycyjne budowane w technologii plusenergetycznej.

Bardzo szybko pomysł podchwycili inwestorzy z Bliskiego Wschodu. Z inicjatywy emira Abu Zabi, stolicy Zjednoczonych Emiratów Arabskich, w 2006 r. ruszyła budowa Masdar City, pierwszego na świecie miasta ekologicznego (FOT. 2). Ma ono być zeroodpadowe i o zerowej emisji dwutlenku węgla, a także całkowicie zasilane energią słoneczną, wiatrową, wodną i biopaliwową.

Miasto ma być zlokalizowane na pustyni, 17 km od Abu Zabi. Koszt przedsięwzięcia przekracza 22 mld dol., a zakończenie budowy planowane jest na 2016 r.

Głównym celem, jaki postawili sobie twórcy, czyli projektant Norman ­Foster oraz inwestor, jest redukcja zużycia energii i produkcji odpadów w każdym budynku do takiego poziomu, aby była możliwość obsłużenia ich wyłącznie przez miejskie systemy czystej energii odnawialnej oraz zakłady przetwarzające odpady na energię.

W 2008 r. budynek uzyskał nagrodę (od Council on Tall Buildings and Urban Habitat) dla „Najlepszego budynku wysokiego Środkowego Wschodu i Afryki”.

Wietrzny klimat Zatoki Perskiej sprzyja wykorzystaniu energii z wiatru. Wyzwaniem stała się więc ekonomiczność zastosowania turbin wiatrowych w tym budynku. Ostatecznie koszty związane z zastosowaniem takich turbin w Bahrain World Trade Center były mniejsze niż 3% wartości projektu [2].

Kształt obu wież został tak zaprojektowany, aby ukierunkować wiatr przepływający pomiędzy wieżami, oraz aby niezależnie od kąta oddziaływania wiatru siła jego oddziaływania była prawie identyczna. Wyniki analiz projektowych przedstawiono na RYS. 1–4.

Oprócz kwestii związanej z zakresem kątów, pod jakimi może działać wiatr, innym problemem było równomierne obracanie się turbin, bo, jak wiadomo, im wyższe położenie turbiny, tym prędkość (i siła) wiatru na nią oddziałująca jest większa.

Problem ten rozwiązano za pomocą ukształtowania wież. Zastosowanie wież w kształcie żagla zwężającego się ku górze, w miarę zmiany wysokości, powoduje zbieranie coraz mniejszej objętości wiatru oddziałującego na turbinę. Ponadto elipsoidalny przekrój wież wytwarza lej, który w efekcie zwiększa prędkość wiatru w obszarze turbin nawet do 30%.

Połączenie tych dwóch pomysłów prowadzi do równowagi wydajności energetycznej i prędkości obracania się turbin. W związku z tym górna i dolna turbina produkują 109% i 93% w stosunku do 100% energii produkowanej przez środkową turbinę [2].

Projektowana wydajność energetyczna turbin (przy ich stałej pracy w ciągu co najmniej połowy dnia) jest szacowana na poziomie 1,1–1,3 GWh rocznie, co daje 11–15% całkowitego poboru mocy przez obie wieże [2].

Jak przyznają projektanci, liczby te określone są dość zachowawczo, ponieważ jest to pierwszy taki obiekt na świecie, gdzie turbiny są umieszczone pomiędzy budynkami na wysokości ponad 160 m nad poziomem terenu. Wydajność energetyczna może więc okazać się większa. Do dzisiaj nie przedstawiono jednak danych o rzeczywistej wydajności energetycznej turbin.

Bahrain World Trade Center nie był planowany jako budynek o niskiej emisji dwutlenku węgla (według europejskich i światowych standardów). Jednak niezależnie od turbin wiatrowych zawiera wiele rozwiązań, które zmniejszają tę emisję oraz powodują, że budynek nie oddziałuje negatywnie na środowisko. Oto najważniejsze [2]:

• zastosowanie przestrzeni buforowych pomiędzy środowiskiem zewnętrznym a powietrzem wewnętrznym, które będą miały wpływ na zmniejszenie temperatury powietrza i zmniejszenie przewodzenia zysków słonecznych,
• zastosowanie na dachu głębokiego pokrycia żwirem, co zapewnia ochronę przed promieniowaniem ultrafioletowym i nagrzewaniem się powierzchni dachu,
• zacienienie części zewnętrznych fasad szklanych przez balkony,
• wzajemne zacienianie się balkonów na pochyłych elewacjach,
• gdy cień nie jest zapewniony, zastosowanie wysokiej jakości szkła o niskim współczynniku przepuszczania, by zminimalizować zyski słoneczne,
• zastosowanie otwieranych okien o niskiej przenikalności, aby umożliwić działanie mieszanego systemu wentylacji w miesiącach zimowych,
• zastosowanie lepszej izolacji cieplnej nieprzezroczystych elementów,
• zastosowanie zmiennej objętości pompowanej zimnej wody tak, aby można było pompować ją przy znacznie mniejszej mocy pompy niż w przypadku konwencjonalnych systemów, w których pompuje się wodę o stałych objętościach,
• zastosowanie energooszczędnego, wysoko efektywnego, o wysokiej częstotliwości oświetlenia fluorescencyjnego ze sterowaniem obszarowym,
• zaprojektowanie dwóch systemów odwadniających, które segregują odpady i nieczystą wodę, a także pozwalają na recykling szarej wody,
• zastosowanie podwójnego strumienia wody w WC i elektronicznych kranów z ogranicznikami przepływu nadmiaru wody,
• zaprojektowanie basenów odbijających promienie słoneczne przy wejściach do budynku, aby zapewnić lokalne chłodzenie wilgotnym powietrzem,
• zastosowanie zasilanych energią słoneczną opraw świetlnych (wykorzystywanych m.in. do oświetlenia dróg).

Obiekt Pearl River Tower

Jest to 310-metrowy budynek, którego budowa zakończyła się w 2012 r., po 6 latach od rozpoczęcia (FOT. 5–6). Wieżowiec znajduje się w mieście Kanton w południowych Chinach, które jest najbardziej zanieczyszczonym miastem w państwie i stanowi główny cel inicjatyw proekologicznych rządu Chin [3].

Wieżowiec został ­zaprojektowany przez pracownię SOM (Skidmore, Owings & Merill) na zlecenie jednej z największych firm w Kantonie – Guadong Tobacco Company, która jest częścią Chinese National Tobacco Company.

Projektanci postawili sobie za cel stworzenie najbardziej energooszczędnego na świecie, superwysokiego budynku. Ostatecznie względy ekonomiczne i przepisy prawa lokalnego spowodowały modyfikacje pierwotnego projektu, po dokonaniu których nie osiągnął on jeszcze zerowego standardu energetycznego.

Mimo tego całokształt technologii wykorzystywanych w Pearl River Tower według wielu źródeł nadal stawia ten budynek na pierwszym miejscu, jeśli chodzi o najbardziej energooszczędne wolno stojące, superwysokie budynki na świecie. Przewidywana redukcja zapotrzebowania na energię w porównaniu z równoważnym budynkiem, bez tych technologii, wynosi 58% [4].

Przyjrzyjmy się zastosowanym w obiekcie technologiom.

Mikroturbiny

Typowe sieci energetyczne są wydajne na poziomie maksymalnie 30–35% w czasie przepływu od źródła (elektrowni) do budynku [4]. Miejscowa elektrociepłownia (złożona z nawet 50 mikroturbin) przeznaczona dla Pearl River Tower generowałaby energię ze sprawnością przekraczającą 80%, co znacznie zmniejsza produkcję gazów cieplarnianych.

Niestety, projekt budynku został zmieniony i mikroturbiny nie będą ostatecznie wykorzystywane. Stało się tak dlatego, że lokalne spółki użyteczności publicznej w Kantonie nie zgadzają się na podłączenie tych urządzeń do miejskiej sieci energetycznej. Bez możliwości sprzedaży nadwyżki energii nie ma finansowego uzasadnienia dla tak dużej inwestycji, bo nie zwróci się ona przez bardzo długi okres.

Mimo to z myślą o przyszłości zarezerwowano w projekcie piwnicy miejsce dla mikroturbin, aby zamontować je w późniejszym terminie, kiedy lokalna infrastruktura Kantonu zostanie udostępniona.

Fasady

Obudową zewnętrzną Pearl River Tower od strony północnej i południowej jest wentylowany od wewnątrz system ściany podwójnej składający się z podwójnie szklonego izolowanego zestawu szybowego (FOT. 7).

We wnęce znajduje się perforowana żaluzja pionowa, która ma 3 tryby pracy, w zależności od kąta padania promieni słonecznych [4]. Położenie żaluzji ustalane jest za pomocą fotokomórki, która śledzi pozycję słońca i jest podłączona do systemu zarządzania budynkiem (BMS).

Fasada na stronach wschodniej i zachodniej różni się od północnej i południowej – wykonana jest z potrójnie oszklonej szyby, która pomaga izolować wnętrze budynku.

Tak zintegrowany zespół fasad zapewnia wyjątkową wydajność cieplną przy wysokiej ich przezroczystości. Duża przenikalność wizualna umożliwia zwiększenia poboru światła dziennego, co pozwala na zmniejszenie ilości sztucznego oświetlenia oraz zachowanie rozległej widoczności nawet wtedy, gdy rolety są całkowicie zamknięte (dzięki ich perforacjom).

Gdy promienie słoneczne oddziałują  na zewnętrzną podwójnie szkloną ścianę osłonową, niektóre korzyści zostają zmniejszone poprzez zastosowanie niskoemisyjnych powłok wprowadzonych w przestrzenie pomiędzy zewnętrznymi i wewnętrznymi warstwami oszklonymi.

Następnie perforowane żaluzje, ułożone pod odpowiednim kątem obniżają temperaturę wewnętrznej powierzchni fasady, a tym samym zapewniają komfort użytkowania.

Portale z turbinami wiatrowymi

Portale wiatrowe (4 otwory o wymiarach ok. 3×4 m [4]) dopuszczają przepływ powietrza przez budynek, dzięki czemu cieśnienie wiatru i siły działające na budynek są zmniejszone (RYS. 5, FOT. 8).

Fasady są ukształtowane tak, aby zoptymalizować przekazywanie energii wiatru, co maksymalizuje potencjał energetyki wiatrowej w tych miejscach (RYS. 6). Ważne jest też usytuowanie budynku – szersza strona budynku ustawiona jest bezpośrednio w kierunku dominujących w tych okolicach wiatrów, co również daje duże zyski energetyczne [3].

Sufit chłodzący i wentylacja podpodłogowa

Standardowe systemy wentylacji i klimatyzacji w strefach podzwrotnikowych, czyli środowiskach wymagających chłodzenia, opierają się głównie na obiegu zimnego powietrza, aż do osiągnięcia żądanej temperatury, co zapewnia odpowiedni komfort użytkowania pomieszczeń.

System proponowany w Pearl River Tower to połączenie sufitu chłodzącego, który pracuje równoległe z podpodłogowym systemem wentylacji rozprowadzającym powietrze. Ta kombinacja zapewnia poprawę komfortu użytkowania, a jednocześnie zmniejsza zapotrzebowanie na energię, konserwację, a także prowadzi do zmniejszenia kosztów, jak i zużycia materiałów.

Ogniwa fotowoltaiczne

Włączanie ogniw fotowoltaicznych w obiekt budowlany, w którym są one integralną częścią jego obudowy, a nie tylko elementem dodatkowym, nazywane jest zintegrowanym budowaniem fotowoltaicznym (BIPV) i jest coraz bardziej rozpowszechniane na świecie.

Na podstawie badań stwierdzono, że zastosowanie ogniw PV może być też wydajne, jeżeli są stosowane tylko na niektórych częściach powłoki budynku. Rozkład BIPV wynika bezpośrednio z optymalizacji efektywności energii słonecznej. W budynku Pearl River Tower ogniwa usytuowane są asymetrycznie na poziomie dachu w celu osiągnięcia jak najlepszych wyników.

Na RYS. 7 i FOT. 9 przedstawiono analizę promieniowania słonecznego na Pearl River Tower oraz rozkład ogniw na elewacji.

Warto dodać także, że system nie tylko zapewnia zasilanie dla budynku, lecz także działa jako ochrona przed słońcem części budynku najbardziej narażonej na negatywne skutki promieniowania słonecznego.

PODSUMOWANIE

Ekologiczne budownictwo wysokie niezaprzeczalnie ma przyszłość. Pojawia się jednak pytanie: czy się opłaca? By na nie odpowiedzieć, należy spojrzeć z dłuższej perspektywę na funkcjonowanie obiektu i na zyski dla środowiska naturalnego.

Pamiętajmy, że budowa ekologicznych budynków ma za zadanie redukcję emisji szkodliwych substancji, a także oszczędność surowców deficytowych (np. słodkiej wody czy energii).

Co mówią liczby? Wybudowanie Bahrain World Trade Center kosztowało 150 mln dolarów, a oszczędność energetyczna wynosi 1,3 GWh/rok, czyli co najmniej 15% całkowitej energii, którą ten budynek zużywa.

W przypadku Pearl River Tower mamy do czynienia z redukcją emisji CO₂ do atmosfery o 5,5 mln ton rocznie oraz oszczędnością energii elektrycznej w wysokości 58%. Obiekt może być ponadto samowystarczalny pod względem pozostałej energii [4].

Według specjalistów koszty inwestycyjne Pearl River ­Tower przy pełnym zrealizowaniu wszystkich zamierzeń zwrócą się po niecałych pięciu latach. Na podstawie tych liczb należy stwierdzić, że taki kierunek działań oprócz tego, że chroni środowisko jest ekonomicznie uzasadniony.

LITERATURA

1. T. Błaszczyński, B. Ksit, B. Dyzman, „Budownictwo zrównoważone z elementami certyfikacji energetycznej”, DWE, Wrocław 2012.
2. S. Killa, R.F. Smith, „Harnessing Energy in Tall Buildings: Bahrain World Trade Center and Beyond”, CTBUH Technical Paper, CTBUH 8th World Congress, Dubai, 3–5 March 2008, pp. 144–150.
3. Strona internetowa: www.iaacblog.com.
4. R. Frechette, R. Gilchrist, „Towards Zero Energy: A case study of the Pearl River Tower”, CTBUH Technical Paper, CTBUH 8th World Congress, Dubai, 3–5 March 2008, pp. 252–261.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!