Nowoczesne rozwiązania elewacyjne

Na aktualny podział elewacji wpływają m.in. coraz nowsze rozwiązania technologiczne. Współcześnie można wyróżnić elewacje (fasady):

• tradycyjne (także z zastosowaniem nowoczesnych rozwiązań materiałowych
• wentylowane,
• szklane,
• fotowoltaiczne,
• zielone,
• multimedialne czy dynamiczne (z ruchomymi elementami, lub zmieniające kształt bryły i wyraz architektoniczny).

Elewacje fotowoltaiczne PV

Obok podstawowych zadań stawianych przed ścianami zewnętrznymi, takimi jak bezpieczeństwo konstrukcji, ochrona przeciwpożarowa, cieplna i akustyczna, odpowiednie rozwiązania techniczne umożliwiają także pozyskiwanie energii elektrycznej. Takimi rozwiązaniami są elewacje fotowoltaiczne PV (ang. Photovoltaics), których trwałe zintegrowanie z powłoką fasady określa się w skrócie jako BiPV (ang. Building Integrated Photovoltaics).

Najważniejszą składową technologii BiPV są moduły fotowoltaiczne, najczęściej łączone w złożone struktury. Fasadowe systemy fotowoltaiczne składają się z hermetycznych paneli z ogniwami PV wraz z pozostałymi elementami uzupełniającymi. Zaliczamy do nich m.in. skrzynki przyłączowe, okablowanie stałoprądowe, inwertery, regulatory napięcia, falowniki bądź akumulatory [1]. W tego typu rozwiązaniach stosowane są moduły o zróżnicowanych wielkościach, barwach i układach geometrycznych. Ich rozwiązania i powiązanie z konstrukcją budynku może być wykonane w zróżnicowany sposób (FOT. 1-5).

W zależności od rodzaju zastosowanych rozwiązań elewacyjnych można wymienić zróżnicowane techniki integracji modułów fotowoltaicznych z fasadą. Pierwszą jest nałożenie ogniw PV. W tej sytuacji konieczne jest odpowiednie zamocowanie poszczególnych modułów do specjalnej konstrukcji wsporczej. Takie rozwiązanie nie jest korzystnym z punktu widzenia estetyki elewacji. Innym rozwiązaniem jest zastąpienie w istniejących remontowanych lub przebudowywanych budynkach elementów okładzinowych fasad (płyty HPL itp.) ogniwami PV. Z technicznego punktu, a także uwzględniając zróżnicowane wymagania wizualne i trwałościowe, rozwiązaniem jest bezpośrednia integracja ogniw PV z fasadą budynku.

Mocowanie elementów fotowoltaicznych może być realizowane w różny sposób. Jednym z częstszych rozwiązań jest ich stosowanie na konstrukcji wsporczej z wytworzeniem pustki powietrznej jako przestrzeni wentylowanej, minimalizującej możliwość powstawania kondensacji pary wodnej.

Zaletą zastosowania elementów fotowoltaicznych w rozwiązaniach fasad wentylowanych jest też obniżenie temperatury zastosowanych modułów, poprawiające ich wydajność, a także możliwość umiejscowienia okablowania i wyposażenia uzupełniającego w wolnej przestrzeni.

W przypadku stosowania konstrukcji słupowo-ryglowych (np. aluminiowych) elementy fotowoltaiczne stanowią wypełnienie szkieletu. W takim przypadku ogniwa PV są mocowane mechanicznie do profili nośnych, a także uszczelniane przy wykorzystaniu specjalnego szczeliwa silikonowego [1].

Innymi stosowanymi sposobami kotwienia są połączenia ogniw do konstrukcji ściennej za pomocą kotew lub konsol. Mogą się wówczas tworzyć się punktowe mostki termiczne, powstające poprzez przebicie warstwy ocieplenia elementem o wyższym współczynniku przewodzenia ciepła. Najczęściej wykorzystywane rozwiązania w postaci kształtowników stalowych lub aluminiowych mogą mieć negatywny wpływ na stan ochrony cieplnej ścian zewnętrznych oraz możliwość kondensacji pary wodnej w przegrodzie.

W celu minimalizacji negatywnego wpływu punktowych mostków cieplnych można stosować konsole np. z dodatkowymi elementami rozdzielającymi konstrukcje, poprawiając ich negatywny wpływ w postaci punktowych mostków cieplnych. Należy pamiętać, iż zastosowanie tego typu rozwiązań obok zagadnień ochrony cieplnej powinno spełniać także wymagania ochrony przeciwpożarowej. Przykład opisywanego rozwiązania przedstawiono na RYS. 1-3 i RYS. 4.

Rozkład izoterm w przykładowej przegrodzie pozwala na ocenę jakości cieplnej zastosowanych rozwiązań projektowych [7]. Obok konieczności ograniczenia negatywnego wpływu mostków termicznych na stan ochrony cieplnej fasad fotowoltaicznych ważną kwestią jest izolacyjność cieplna stosowanych elementów pełnych PV. Materiały BiPV zapewniają nierzadko wartości współczynnika przenikania ciepła na poziomie zbliżonym do izolacyjności cieplnej konwencjonalnego podwójnego szklenia z warstwą niskoemisyjną, co jest szczególnie istotne w przypadku fasad z przestrzenią niewentylowaną lub słabo wentylowaną [1]. 

Elewacje szklane

Fasada szklana powinna spełniać wszystkie funkcje ściany zewnętrznej, nie stanowiąc jednakże konstrukcji nośnej budynku. Wśród elewacji szklanych wyróżnia się dwa zasadnicze typy: wykonane w systemie ramowym lub systemie bezramowym.

• W systemie ramowym tafla szklana jest osadzana w profilach stalowych aluminiowych.
• W systemach bezramowych przeszkleń strukturalnych tafla szklana jest mocowana punktowo do niezależnej konstrukcji nośnej [9].

Do najpopularniejszych rozwiązań elewacji szklanych należy fasada słupowo-ryglowa, która składa się z połączonych ze sobą w sposób trwały pionowych i poziomych elementów (słupów i rygli), zakotwionych bezpośrednio do konstrukcji nośnej budynku.

Fasady szklane możemy podzielić na fasady strukturalne i fasady półstrukturalne.

• Fasada strukturalna jest rozwiązaniem, w którym wypełnienie jest zamocowane do ram aluminiowych za pomocą klejenia. Ramy mocowane są do konstrukcji fasady (słupów, rygli) za pomocą elementów niewidocznych od zewnątrz.
• Fasada półstrukturalna (fasada semistrukturalna) jest rozwiązaniem, gdzie wypełnienie mocowane jest za pomocą niewidocznych od zewnątrz łapek mocujących. Od strony zewnętrznej widoczna jest jedynie fuga silikonowa.

Fasady szklane mogą być także mocowane do konstrukcji budynku punktowo. Rozwiązanie takie bazuje na pojedynczych uchwytach mocowanych do konstrukcji nośnej.

Rozwiązania materiałowo-konstrukcyjne fasad są stosunkowo dobrze znane i szeroko stosowane przez architektów i projektantów konstrukcji. Nieco więcej problemów dostarcza strona "fizykalnych" rozwiązań fasad szklanych.

Jednymi z podstawowych parametrów charakteryzujących szklenie fasadowe są współczynnik przepuszczalności energii słonecznej g [%], współczynnik przepuszczalności światła TL (lub LT) [%], a także współczynnik przenikania ciepła U [W/(m2·K)].

Ze względu na zapewnienie odpowiednich wymagań mikroklimatu wnętrz (komfort cieplny latem) najistotniejszymi parametrami są dwa pierwsze ze wskazanych powyżej. Na ich wielkość wpływają rodzaj i charakterystyka zastosowanego przeszklenia. Współcześnie stosowane są różne sposoby ograniczające ilość promieniowania słonecznego do wnętrza budynku. Jednym z nich jest szklenie elektrochromatyczne, które "ciemnieje" przy zwiększonym nasłonecznieniu, mogąc ograniczać zużycie energii elektrycznej na klimatyzację w okresach letnich do 30% [10]. Szkło elektrochromatyczne wymaga użycia na powłoce tafli materiałów, które zmieniają swoje właściwości na skutek działania pola elektrycznego. To ich zdolność do pozyskiwania i oddawania jonów decyduje o przepuszczalności światła [10].

We wszystkich rodzajach budynków współczynnik przepuszczalności energii całkowitej promieniowania słonecznego okien oraz przegród szklanych i przezroczystych g liczony według wzoru:

gdzie:

g_n - współczynnik całkowitej przepuszczalności energii promieniowania słonecznego dla typu oszklenia,

ƒ_C - współczynnik redukcji promieniowania ze względu na zastosowane urządzenia przeciwsłoneczne, w okresie letnim nie może być większy niż 0,35.

Wartości współczynnika całkowitej przepuszczalności energii promieniowania słonecznego dla typu oszklenia g_n należy przyjmować na podstawie deklaracji właściwości użytkowych okna. W przypadku braku danych wartość g_n określa TABELA 1

Wartości współczynnika redukcji promieniowania ze względu na zastosowane urządzenia przeciwsłoneczne ƒ_C określa TABELA 2.

W przypadku rozwiązań fasad, obejmujących swoją powierzchnią stosunkowo duży obszar przegród zewnętrznych powinny one charakteryzować się współczynnikami przenikania ciepła poniżej 0,9 W/(m2·K). Tego typu rozwiązania, w przypadku nieprawidłowego ich doboru bądź wykonania, mogą powodować duże straty ciepła przez przenikanie. Fasady o współczynniku przenikania ciepła nie przekraczającym 0,6 W/(m2·K) (współczynnik uwzględniający zarówno przeszklenia, jak i konstrukcję fasady szklanej) traktuje się jako rozwiązania energooszczędne.

Obok izolacyjności termicznej fasady szklanej należy także zapewnić odpowiednie rozwiązania i właściwy poziom wykonawstwa na styku połączeń konstrukcji i przeszklenia w miejscach szczególnych, np. w obrębie dachu lub tarasu. W takich przypadkach wymagane jest wykonanie szczegółowych obliczeń numerycznych, potwierdzających słuszność założonych rozwiązań projektowych w zakresie minimalizacji negatywnego oddziaływania mostków termicznych i powstawania kondensacji pary wodnej na wewnętrznych powierzchniach przegród budowlanych i w ich wnętrzu.

Elewacje zielone

Zielone fasady powstały wskutek zastosowania nowych rozwiązań materiałowo-technologicznych w połączeniu z wymogami budownictwa ekologicznego. Ze względu na stosowanie zróżnicowanej roślinności nazywane są także "żywymi elewacjami".

Przyjęcie rozwiązań projektowych w postaci zielonych fasad ma wiele zalet. Rozwiązania fasad zielonych wpływają bowiem na poprawę warunków mikroklimatu zewnętrznego wskutek ograniczenia zanieczyszczeń powietrza i wody, a także zmniejszenia różnicy temperatury pomiędzy temperaturą powierzchni ściany zewnętrznej a temperaturą powietrza. Ma to związek m.in. z ograniczeniem promieniowania cieplnego ściany.

Zastosowanie warstwy roślinności na elewacji budynku może powodować korzystne zmiany w ochronie akustycznej budynków. Rozwiązania te mają dodatkowo korzystny wpływ na izolacyjność cieplną ścian zewnętrznych, zarówno w odniesieniu do zagadnień ochrony cieplnej zimą (ograniczenie strat ciepła), jak i ochrony cieplnej latem (ograniczenie efektu przegrzewania pomieszczeń).

Na podstawie badań zróżnicowanych zespołów naukowych, opisanych przez [12], można stwierdzić, że zastosowanie zielonych fasad powoduje:

• obniżenie temperatury fasady latem wskutek zacienienia o maks. 30°C,
• obniżenie temperatury fasady latem wskutek parowania wody od 2 do 10°C,
• obniżenie temperatury powietrza zewnętrznego w obrębie roślinności o 0,8-1,3°C,
• wzrost temperatury powierzchni ściany zimą za roślinnością o 3-7°C,
• minimalizacja naprężeń termicznych elewacji wskutek ograniczenia temperatury jej powierzchni,
• zmniejszenie zużycia energii pierwotnej wskutek ograniczenia energii chłodu latem,
• produkcja tlenu w ilości do 1,7 kg·O₂/m²·a,
• związanie i filtracja zanieczyszczeń powietrza w ilości 2,3 kg·CO₂/m²·a dla roślinności o szerokości 20 cm.

Istnieją zróżnicowane koncepcje umożliwiające realizację fasad zielonych. Jedną z nich jest koncepcja "żywej ściany". Rozwiązanie to polega na zamocowaniu do ściany zewnętrznej stelażu, do którego przytwierdza się materiał, w którym ukorzenia się roślinność. Jest ona podlewana przy wykorzystaniu systemów nawadniających. Występują dwie podstawowe metody tworzenia żywych fasad.

• Pierwsza wykorzystuje trzywarstwowy system, na który składają się kolejno: warstwa PVC, warstwa filcu i metalowa konstrukcja. Woda wzbogacona o substancje odżywcze jest przepuszczana przez całą wysokość ściany, a jej nadwyżka zbierana jest na samym dole i specjalnym systemem transportowana jest z powrotem na górę ściany.
• Innym rozwiązaniem jest zastosowanie kasetonów wykonanych z odpornego na erozję metalu lub z tworzywa sztucznego [13].

Fasady zielone mogą zostać wykonane w oparciu o zróżnicowane warianty rozwiązań (FOT. 8-10). Najprostszą konstrukcję stanowią stalowe linki mocowane do elewacji za pomocą specjalnych kotew. Inną możliwością jest umieszczenie roślinności na elewacjach skonstruowanych na zasadzie rusztu metalowego.

Inny podział systemów budowy pionowych ogrodów, uwzględniający sposób sadzenia roślin uwzględnia: system filcowy, system modułowy (panelowy) i system kontenerowy [14].

• System filcowy wykorzystuje zdolność mat zbudowanych ze splecionych ze sobą włókien syntetycznych do akumulacji wody. Maty te są połączone wzajemnie tworząc kieszenie, w których sadzone są rośliny.
• W przypadku systemów modułowych należy wykonać konstrukcję nośną, do której mocowane są panele z filcem, a elewacja zabezpieczana jest izolacją przeciwwodną o właściwościach przeciwkorzennych.
• Systemy kontenerowe zwane są także systemami hybrydowymi. Rozwiązanie to wymaga stosunkowo wytrzymałych konstrukcji. System jest rozwiązaniem kaskadowym i polega na umieszczeniu pojemników z roślinnością na poszczególnych kondygnacjach. Istotną kwestią z punktu widzenia utrzymania roślinności jest system nawadniający. Prawidłowo wykonany, z systemem rur doprowadzających wodę, minimalizuje możliwość wbijania się korzeni w konstrukcję ściany.

Pozostałe rozwiązania

Jednym z ciekawych rozwiązań fasad są elewacje multimedialne. Powstają one z wykorzystaniem siatek metalowych z wbudowanymi diodami LED, zawieszanych w postaci kurtyny na elewacji budynku. Dzięki nim możliwe jest przekazywanie informacji graficznej w formie napisów, znaków lub obrazów, ruchomych lub nieruchomych, w pełnej palecie barw. Jakość wyświetlanego obrazu zależy od pionowego rozstawu siatek i poziomego odstępu pomiędzy poszczególnymi diodami [9]. Instalowane systemy pozwalają na dynamiczne sterowanie podświetleniem. Stosowane są ochrony i zabezpieczenia przed niską i wysoką temperaturą. Zamocowane na Stadionie Narodowym oprawy LED przeznaczone są do pracy w zakresie od –20°C do +40°C. W momencie wystąpienia temperatury krytycznej system wyłącza oświetlenie, które zostaje przywrócone ponownie po jej ustąpieniu. Możliwe także jest także programowanie scenariuszy świetlnych [16].

Jednym z największych ekranów LED w Polsce jest fasada Centrum Spotkania Kultur w Lublinie. W tym wypadku punkty świetlne LED umieszczone są na stalowych linkach, za mleczną fasadą, przekrywającą właściwą elewację.

Fasady multimedialne mogą być zintegrowane z systemami wytwarzającymi energię. Przykładem takiego obiektu jest budynek Greenpix w Pekinie (FOT. 11), gdzie frontową elewację wyposażono w instalację medialną LED i zintegrowane wielowarstwowe ogniwa fotowoltaiczne, połączone warstwowo ze szkłem (tzw. ogniwa BIPV).

Umożliwia to pozyskanie energii w ciągu dnia na pokrycie zapotrzebowania fasady medialnej nocą. Kwadratowe płyty elewacyjne mają dodatkowo nadruk w formie małych kwadratów z kilkoma rodzajami modułów graficznych [17].

Innym rozwiązaniem są elewacje dynamiczne. Od dawna mobilność fasad wyznaczały takie elementy jak markizy, okiennice i żaluzje. Dzisiejsze technologie umożliwiają projektowanie i realizację całkowicie zmieniających się elewacji. Najpopularniejsze na tym polu są ruchome fasady, które reagują na zmieniające się pory dnia, temperaturę i nasłonecznienie.

Jednym z pierwszych budynków, w którym zastosowano fasady reagujące na zewnętrzne środowisko, jest gmach Instytut Świata Arabskiego w Paryżu, gdzie na południowej fasadzie obiektu zastosowany został system zacieniający. Za szkłem ustawiono kwadratowe pola stalowych soczewek, zamykające się przy dużym nasłonecznieniu.

Systemy osłon mogą jednak przyjmować różne formy, od klasycznych lamelowanych żaluzji, poruszających się wokół własnej osi, przez zwijane rolety do bardzo skomplikowanych geometrycznie wielopłaszczyznowych systemów, które składają się lub rozkładają, reagując na zmiany oświetlenia. Przykładem są mobilne wieże w Abu Zabi, wyposażone w ruchomą powłokę, złożoną z przestrzennych elementów (trójkątów). Powłoka (ekran) działa jako ściana osłonowa, zamocowana na niezależnej ramie oddalonej dwa metry od budynku. Każdy trójkąt pokryty jest powłoką z włókna szklanego i zaprogramowany do reagowania na ruch słońca w taki sposób, aby zmniejszać intensywność ciepła i blask. Osłona w całości zamyka się w godzinach wieczornych [18].

Literatura

1. www.muratorplus.pl/technika/fasady/fotowoltaika-nowy-element­‑projektowania-fasad-aa-rnBF-NQ3e-GqTj.html
2. www.pvdatabase.org
3. www.mark-magazine.com
4. www.baunetzwissen.de
5. www.ligocka103.pl
6. www.geb-info.de
7. www.gramwzielone.pl/energia-sloneczna/28214/moduly-pv-na­‑elewacjach-budynkow-analiza-rozwiazan-dostepnych-na-rynku
8. www: planungshilfen und details stoventec artline-photovoltaik­‑fassadensysteme
9. J. Adamowski, "Nowoczesne elewacje budynków projektowane zgodnie z zasadami inżynierii fasad", "Materiały budowlane" 9/2012, s. 2-6.
10. T. Malkowski, "Skóra która żyje. Warsztat architekta", "Fasady", wyd. Murator, 2018.
11. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie z dnia 12 kwietnia 2002 r. (DzU Nr 75, poz. 690) wraz z późniejszymi zmianami.
12. J. Dettmar, N. Pfoser, M. Sieber, Gutachten fassadenbegrünung gutachten über quartiersorientierte unterstützungsansätze von fassadenbegrünungen für das Ministerium für Klimaschutz, Umwelt, Landwirtschaft, Natur- und Verbraucherschutz (MKUNLV) NRW tu Darmstadt, Darmstadt 2016.
13. www.architekturakrajobrazu.info
14. www.inzynierbudownictwa.pl/technika,materialy_i_technologie,artykul,green_walls czyli_zielone_sciany_jako_ekologiczne_przegrody_budowlane-cz_I, 6612
15. www.vertuss.com
16. "Multimedialne fasady z oświetleniem LED", artykuł sponsorowany firmy OSRAM,
17. "Materiały Budowlane" 9/2012, str. 8-9.
18. K. Szmuryło, "Fasada inspirowana technologiami", "Świat szkła" 4/2015.
19. www.infoarchitekta.pl/artykuly:4-projekty:5730-czule-wieze-al-bahar.html.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!