Architektura zrównoważona, czyli architektura dobrej energii. Ciekawe realizacje

Aby uniknąć globalnej katastrofy klimatycznej, ślad węglowy naszej cywilizacji, w tym architektury, musi spaść niemal do zera w połowie tego wieku. Nie wystarczą już dobrze zaizolowane ściany czy trójszybowe okna. Potrzebne są innowacyjne rozwiązania, w tym instalacje do produkcji odnawialnej energii zespolone z budynkami. Przykłady ze świata pokazują, że takie obiekty już powstają, jednak muszą stać się bardziej powszechne.

UE wytyczyła sobie ambitny cel – do 2050 roku mamy stać się kontynentem neutralnym klimatycznie, a już w 2030 roku 40% energii ma pochodzić ze źródeł odnawialnych. Co to oznacza dla architektury? Jak podaje Eurostat, budynki w całym cyklu życia odpowiadają za połowę zużywanej energii w UE, do tego zasoby budowlane emitują 40% ogółu emisji gazów cieplarnianych. Czeka nas więc wielka rewolucja w architekturze, która będzie wymagać sporych innowacji,a czasem nawet rozwiązań, które są jeszcze w powijakach, jak niskoemisyjna produkcja cementu.

Energia słoneczna

W osiągnięciu neutralności klimatycznej wielkim sprzymierzeńcem architektury jest słońce. To najbardziej popularne OZE stosowane w budynkach, głównie w postaci instalacji fotowoltaicznych (PV) montowanych na dachach. W 2019 roku grupa europejskich naukowców opublikowała raport, w którym określono fotowoltaiczny potencjał dachów w Unii Europejskiej. Na podstawie wysokiej rozdzielczości zdjęć satelitarnych i uczeniu maszynowemu oszacowano, że dachy w UE zajmują powierzchnię 7935 km². Mogłyby one potencjalnie wytwarzać 680 TWh energii elektrycznej rocznie, co stanowi ok. 25% jej obecnego zużycia. Obiecujący jest też wniosek gospodarczy – koszty aż 2/3 tej czystej energii byłyby niższe od obliczonych według obecnie obowiązujących taryf dla gospodarstw domowych.

Fotowoltaika na dalekiej północy

Zazwyczaj instalacje PV to niezbyt estetyczny dodatek do istniejącego budynku. Jednak gdy już na etapie projektowania myśli się o dodaniu paneli słonecznych, efekty są nie tylko lepsze pod względem wizualnym, ale i wydajności instalacji.

Przykładem jest ukończony w 2019 roku Powerhouse Brattørkaia w Trondheim w Norwegii. Udowadnia on, że fotowoltaika ma sens nawet w mieście, które znajduje się na 63° szerokości geograficznej północnej. Latem dni są tam bardzo długie, jednak w miesiącach zimowych ilość słońca jest minimalna. Mimo takich warunków biurowiec autorstwa słynnej norweskiej pracowni Snøhetta uważany jest za najbardziej wysunięty na północ zrównoważony budynek na świecie.

Zbudowany nad wodami portu gmach działa jak mała elektrownia w środku miasta – instalacja PV zajmuje powierzchnię aż 3000 m². To nie tylko ogniwa rozmieszczone na pochyłym, skierowanym na południe dachu, ale również panele w górnej części elewacji, które zlewają się z czarnym aluminium pozostałych fragmentów fasad. W efekcie budynek produkuje 500 MWh czystej, odnawialnej energii w skali roku. Dziennie wytwarza dwa razy więcej energii niż zużywa (nadwyżki przekazuje do miejskiej sieci), ale sporą jej część magazynuje się w specjalnych bateriach i wykorzystuje w okresie, kiedy ilość słońca jest niewielka.

Ponadto budynek zaprojektowano w taki sposób, by zużywał o połowę mniej energii elektrycznej na oświetlenie niż klasyczny biurowiec o podobnej wielkości. Pomagają w tym duże przeszklenia, owalne atrium, wpuszczające światło słoneczne w głąb traktu, jak również inteligentny system „płynnego światła”, który redukuje ilość sztucznego oświetlenia, gdy spadają aktywność i ruch w obiekcie.

Najbardziej zrównoważony biurowiec na świecie

Otwarta w 2017 roku w Londynie europejska siedziba Bloomberga, największej agencji prasowej zajmującej się tematyką finansową, otrzymała najwyższą możliwą ocenę certyfikatu BREEAM – Outstanding z punktacją 98,5%, jakiej nigdy nie osiągnął tej wielkości biurowiec. Gmach, który stanął w sercu miasta, to dzieło pracowni Foster + Partners. Zewnętrzna, dostojna bryła nie zapowiada innowacji, ale nawet rytmiczne fasady skrywają zrównoważone rozwiązania. Przeszklenia zacieniają „żyletki” z brązu, ustawione pod różnymi kątami w zależności od położenia fasad względem słońca. Nie tylko chronią budynek przez przegrzaniem, lecz także działają aktywnie – mogą się uchylać i przy odpowiedniej pogodzie pozwalają naturalnie wentylować budynek.

Cały przepływ powietrza w budynku, łącznie z „oddychającymi” fasadami, sterowany jest inteligentnie, a system wspomagają czujniki CO2. W zależności od liczby osób każda strefa budynku ma więc regulowany przepływ powietrza. Pozwala to znacząco ograniczyć stosowanie mechanicznej wentylacji i klimatyzacji, a także oszczędzić do 750 MWh energii rocznie, co redukuje emisję CO2 budynku o ok. 300 t. Specjalnie dla siedziby Bloomberga opracowano zintegrowane panele sufitowe z charakterystycznym motywem aluminiowych płatków rozpraszających światło. Panele łączą funkcje ogrzewania, chłodzenia, oświetlenia, jak i tłumienia dźwięków.

W sumie w gmachu zainstalowano pół miliona diod LED, dzięki czemu zużywa on o 40% mniej energii niż w przypadku typowego systemu oświetlenia. Budynek jest także zrównoważony pod względem zużycia wody. Przechwytywana z dachu deszczówka, a także woda szara z umywalek i pryszniców jest uzdatniania oraz wykorzystywana ponownie do obsługi toalet, które są spłukiwane próżniowo. Jak zapewniają projektanci – do spłukiwania w ogóle nie zużywa się czystej wody, a oszczędne spłuczki pozwalają zmniejszyć jej zużycie o 25 mln l każdego roku.

Zielony ratusz

Sporą liczbę zrównoważonych rozwiązań zastosowano w nowym urzędzie miasta w holenderskim Venlo – pierwszej na świecie gminie, która w pełni wdrożyła zasadę cradle-to-cradle (C2C – od kołyski do kołyski). W tym modelu gospodarczym wszystkie produkty po zakończeniu swojego cyklu życia mogą być poddane recyklingowi i ponownie wykorzystane w produkcji. System ten różni się od dominującego w przemyśle schematu cradle-to-grave (od kołyski do grobu), gdzie zużyty produkt staje się odpadem. Podczas budowy urzędu projektanci z Kraaijvanger Architects dążyli do tego, by wszyscy dostawcy materiałów budowlanych posiadali certyfikaty C2C. Dzięki paszportom materiałowym każdy wykorzystany element jest skatalogowany. Po zużyciu się danego komponentu zostanie on odebrany przez dostawcę, a po przetworzeniu wróci ponownie do cyklu produkcji.

Stadskantoor Venlo składa się z części wieżowej, mieszczącej biura, i niskiego podium, w którym zlokalizowano m.in. główny punkt obsługi mieszkańców. Najbardziej charakterystycznym elementem budynku jest zielona, północna fasada, wychodząca na przelotową ulicę oraz tory kolejowe. W pełni wegetatywna elewacja o powierzchni 2200 m² stanowi jedną z największych w Europie. Została obsadzona ponad setką różnych gatunków roślin, co przyczynia się do większej bioróżnorodności w okolicy, ale i oczyszczania powietrza (w tym z pyłów znad torów) oraz odfiltrowywania szkodliwych tlenków azotu ze spalin.

Nasłonecznione elewacje wieży wyposażono z kolei w poziome łamacze światła biegnące ponad wstęgowymi oknami, które chronią przed nadmiernym przegrzaniem. Jednocześnie ich górna nachylona płaszczyzna została pokryta ogniwami fotowoltaicznymi o łącznej powierzchni 1000 m², dzięki czemu budynek generuje ok. 50–60% potrzebnej energii. Dodatkowo w zachodniej części wieży umieszczono na szczycie kilkukondygnacyjną szklarnię, służącą pozyskiwaniu ciepła i ogrzewaniu wnętrz.

Słoneczne przedszkole z pompą ciepła

Solhuset w Hørsholm w momencie oddania do użytku w 2011 roku okrzyknięto najbardziej ekologicznym przedszkolem w Danii. Jak podają projektanci z pracowni Christensen & Co Arkitekter, wszystkie materiały budowlane wybrano pod kątem ich zrównoważenia, rozpatrywanego w całym cyklu życia. Przykładowo wyłożone drewnem elewacje zabezpieczono przed warunkami atmosferycznymi metodą impregnacji wysokociśnieniowej bez użycia toksycznych chemikaliów.

Nazwa budynku – Solhuset, czyli Dom Słońca – oddaje jego naturę, bo reagowanie na światło słoneczne było kluczowe dla ukształtowania architektury. Obiekt jest zwarty, wzniesiony na planie trójkąta, którego najdłuższe elewacje wychodzą na południowy wschód i południowy zachód. Zygzakowaty dach szedowy oferuje sporą ilość połaci skierowanych na południe. Umieszczono na nich kolektory słoneczne o powierzchni 50 m², zapewniające ciepłą wodę i ogrzewanie, wspierane dodatkowo przez pompę ciepła z gruntowym wymiennikiem ciepła. Zamontowano panele fotowoltaiczne o łącznej powierzchni 250 m². W skali roku budynek produkuje 78 kWh na każdy metr kwadratowy jego powierzchni (w tym ok. 26 kWh/m² dzięki pompie ciepła z GWC), co znacząco przewyższa zapotrzebowanie. W efekcie przez osiem bardziej słonecznych miesięcy oddaje nadwyżkę energii do sieci.

Wysokie dachy wykorzystano również do naturalnej wentylacji w budynku. Umieszczono w nich okna połaciowe, które nie tylko doświetlają wnętrza, ale i wypuszczają zużyte powietrze. Stacja pogodowa na dachu oraz czujniki temperatury i CO2 w każdym pomieszczeniu optymalizują pracę systemów. Gdy w jakiejś sali znajduje się dużo dzieci i wzrasta temperatura, okna połaciowe uchylają się automatycznie, zaś świeże, chłodne powietrze dopływa przez okna w fasadach i dodatkowe lufciki w ścianach. Połacie dachu niepokryte panelami słonecznymi obsadzono rozchodnikami, które są bardzo wytrzymałymi i niewymagającymi roślinami. Zielony dach zapobiega szybkiemu odpływowi deszczówki do kanalizacji, zapewnia budynkowi dobrą izolację termiczną, pomaga również schłodzić panele.

Paradoksalnie w najbardziej nasłonecznione dni przegrzanie instalacji PV powoduje, że spada jej efektywność. Woda parująca z roślin obniża temperaturę wokół paneli i poprawia ich pracę.

Bioklimatyczne fasady

Najważniejszym elementem budynku ICTA-ICP, który powstał na kampusie Uniwersytetu Autonomicznego w Barcelonie w katalońskim mieście Cerdanyola del Vallès, są bioklimatyczne fasady. Elewacje mogą „oddychać”, trochę na podobnej zasadzie jak w siedzibie Bloomberga, choć są zupełnie odmienne w wyrazie. Na betonową strukturę narzucono bowiem tani system szklarniowy z poliwęglanu z automatycznie uchylanymi elementami. Dwie barcelońskie pracownie – H Arquitectes i DATAAE – postawiły na zrównoważone rozwiązania, ale zarazem proste technologie i niedrogie materiały z recyklingu. To, co w skali globalnej jest obecnie dla Ziemi szkodliwe, czyli efekt szklarniowy, budynek wykorzystuje na małą skalę do zmniejszenia kosztów ogrzewania czy wentylacji. Zamknięte żaluzje podczas słonecznych dni podnoszą temperaturę obiektu – ciepło z przestrzeni fasadowych rozprowadzane jest do pomieszczeń poprzez szereg otwarć w bryle, w tym 4 patia mieszczące otwarte klatki schodowe. Z kolei otwarte żaluzje pozwalają powietrzu przepływać i naturalnie wentylować pomieszczenia. Te uformowano jako drewniane pudełka wstawione w strukturę budynku.

Gmach podzielono na trzy strefy klimatyczne: przestrzenie pośrednie bez sztucznego ogrzewania i klimatyzacji, całkowicie oparte na pasywnych rozwiązaniach, biura łączące naturalną wentylację z systemami radiacyjnymi rozprowadzonymi w stropach oraz laboratoria o bardziej konwencjonalnym działaniu.

W pomieszczeniach umieszczono zwykłe sufitowe wiatraki, które pomagają w wentylacji w połączeniu z wywiewkami w ścianach. Całym obiektem zarządza system komputerowy monitorujący nasłonecznienie, temperaturę czy poziom CO2. Duże ilości roślin na piętrach oraz ogród warzywny, znajdujący się na ostatnim piętrze pod szklanym dachem, poprawiają wilgotność. Przemyślano również wykorzystanie wody – deszczówka, szara woda i ścieki są filtrowane, a następnie ponownie używane m.in. do spłukiwania toalet i nawadniania roślin. Budynek ICTA-ICP stale reaguje na zmieniające się warunki otoczenia, tak by zapewnić najlepszy klimat wewnątrz, przy minimalnym wykorzystaniu konwencjonalnych źródeł energii. Jego projektanci podkreślają, że udało się im zmniejszyć zużycie energii o 62%, a wody aż o 90%!

Energi wiatrowa

Wiatr to jedno z mniej popularnych odnawialnych źródeł energii wykorzystywanych bezpośrednio w architekturze. Wynika to ze specyfiki turbin wiatrowych – do optymalnego i efektywnego działania zazwyczaj potrzebują otwartych przestrzeni, gdzie najsilniej wieją wiatry. Stąd nie spotykamy ich na terenach zurbanizowanych. Jednak elektrownie wiatrowe pojawiły się w szczególnym rodzaju budynków, w których wiatr zwykle jest istotnym czynnikiem projektowym. Mowa o wysokościowcach – silne podmuchy są jedną ze znaczących sił, uwzględnianą na etapie projektowania ich konstrukcji.Skoro więc wiatr ma tak wielki wpływ na kształt wieżowców, dlaczego więc zamiast walczyć z jego siłą, nie wykorzystać jej?

Takie myślenie pojawiło się po raz pierwszy w wielkiej skali w Bahrain World Trade Center, 240-metrowych bliźniaczych wieżach zbudowanych w 2008 roku w Manamie – stolicy Bahrajnu.

Budynki projektu brytyjskiej pracowni Atkins mają trójkątne kształty przypominające żagle spięte trzema pomostami. To właśnie na nich – w szczelinie pomiędzy wysokościowcami – umieszczono trzy turbiny o średnicy 29 m każda. Ustawione są na północ w stronę Zatoki Perskiej, znad której najczęściej wieją wiatry. Bryły wieżowców sprawdzano w tunelu aerodynamicznym. Zamodelowano taką formę, by opływowe elewacje kierowały strumień wiatru na turbiny, co zwiększa potencjał elektrowni wiatrowej. Dzięki temu śmigła obracają się średnio przez połowę czasu. Turbiny, według zapewnień projektantów, mają gwarantować od 11 do 15% całkowitego zużycia energii przez dwie wieże.

Nieruchoma „golarka”

Spektakularną elektrownię wiatrową zyskał wysoki na 147 m wieżowiec Strata SE1, który powstał w 2010 roku w Londynie. Na jego ściętym szczycie zamontowano trzy potężne turbiny wiatrowe. Londyńczykom stechnicyzowana bryła skojarzyła się z elektryczną golarką i tak dołączyła ona do grona miejscowych wieżowców obdarzonych zabawnymi przydomkami – Korniszona (wieżowiec 30 St Mary Axe) czy Walkie-Talkie (20 Fenchurch Street).

Projektanci Strata z londyńskiej pracowni BFLS (dawniej Hamiltons Architects) podkreślali, że turbiny są całkowicie zintegrowane z formą architektoniczną, stanowiąc rodzaj spektakularnego zwieńczenia wieżowca. Trzy 18-metrowe wiatraki miały łącznie produkować 50 MWh energii elektrycznej rocznie, co pozwoliłoby zaspokoić ok. 8% zapotrzebowania budynku na prąd. Jednak zaraz po zasiedleniu budynku łopaty ledwo się obracały. Od 2014 roku są stale unieruchomione, a wieżowiec Strata stał się jednym z ikonicznych przykładów greenwashingu, czyli budynków, w których ekologiczne rozwiązanie stanowi zasłonę dymną, skrywającą prawdziwe oblicze bardzo energochłonnego obiektu.

Być może głównym błędem Straty było umieszczenie turbin na szczycie wieży – ich łopaty mogą więc tylko liczyć na odpowiednio przepływający wiatr, budynek nie wymusza swoim kształtem dodatkowego przepływu wiatru, jak ma to miejsce w Bahrajnie.I właśnie takie celowe ukierunkowywanie strumienia powietrza jest głównym motywem Pearl River Tower w chińskim Kantonie, metropolii leżącej w delcie Rzeki Perłowej. 309-metrowy wieżowiec biurowy zaprojektowali specjaliści z amerykańskiej pracowni SOM (Skidmore, Owings & Merrill), która od dziesięcioleci buduje drapacze chmur na całym świecie.

W procesie projektowym dokładnie przeanalizowano lokalne warunki. W Kantonie dominują wiatry z południa, wiejące przez 80% roku. Smukłą, zbliżoną do kształtu deski surfingowej wieżę ustawiono prostopadle do kierunku północ–południe. W 1/3 i 2/3 wysokości budynek ma rodzaj wcięć niczym talie w ludzkiej sylwetce – pozostałe powierzchnie elewacji są tak wygięte, że nakierowują przepływ wiatru do tych zwężeń. Umieszczono w nich otwory, w których zamontowano turbiny wiatrowe o pionowej osi obrotu z wgiętymi spiralnie łopatami. Wertykalne wiatraki są średnioo 15% wydajniejsze od tradycyjnych. W Pearl River Tower sam kształt budynku dodatkowo nakierowuje wiatr na cztery turbiny, co pozwala generować nawet od 8 do 15 razy więcej energii elektrycznej niż przy standardowych elektrowniach wiatrowych umieszczonych na otwartym polu.

Wieżowiec produkuje również prąd z ogniw fotowoltaicznych umieszczonych na dachu oraz na szerokich żaluzjach zacieniających wschodnie i zachodnie elewacje. Dzięki tym wszystkim rozwiązaniom, w tym OZE, Pearl River Tower reprezentuje wysoki standard energetyczny. Jego zapotrzebowanie energetyczne wynosi zaledwie 54,30 kWh/m² w skali roku, co oznacza redukcję o 55% w stosunku do lokalnych przepisów mówiących o poziomie 120 kWh/m² – taka wydajność stawia drapacz chmur w gronie budynków wysoce energooszczędnych.

Turbiny wiatrowe na budynkach to wciąż rzadkość. Nieruchome śmigła na wieżowcu Strata czy brak dokładnych informacji co do faktycznej produkcji prądu przez turbiny wież w Bahrajnie nie pozwalają wysnuć realnych wniosków, co do przyszłości tego typu rozwiązań w architekturze. Problemów jest wiele – obracające się turbiny to dodatkowe, zmienne obciążenie dla wieżowców. Ich awaria i np. upadek śmigła na ulicę mogłyby doprowadzić do tragedii. Jednak w obliczu katastrofy klimatycznej na pewno nie należy zupełnie zarzucać tego sposobu produkcji odnawialnej energii w budynkach.

We wspomnianym wcześniej badaniu potencjału fotowoltaiki w UE Polska ze swoją powierzchnią dachów wynoszącą ok. 469 km² ma podobne możliwości do czerpania energii ze słońca, co reszta kontynentu. Około 1/4 energii moglibyśmy pozyskiwać z dachowych instalacji PV. Badanie powstało przed tym, jak fotowoltaika „wystrzeliła” u nas za sprawą rządowego programu Mój Prąd, czyli dotacji dla mikroinstalacji fotowoltaicznychdla gospodarstw domowych. W 2020 roku Polska znalazła się w czołówce europejskiej pod względem przyrostu mocy PV zainstalowanej w Unii. Wyprzedziły nas tylko Niemcy, Holandia i Hiszpania.

Jak podaje raport Instytutu Energetyki Odnawialnej w 2020 roku instalacje PV wytworzyły w Polsce 1,5% energii elektrycznej. W 2021 roku ma to już być 3,5%, a w 2025 roku energia ze słońca może zapewnić nawet 10% zapotrzebowania energetycznego naszego kraju.

Z nadzieją można spoglądać na gospodarstwa domowe, które już przy niewielkich zachętach są otwarte na innowacje i OZE. Z pewnością najbliższe dekady będą dla architektury – również w obszarze obiektów komercyjnych – czasem wielkich przeobrażeń. Musi stać się ona już teraz jak najbardziej zrównoważona, jeśli chcemy, żeby w ogóle było jakieś potem.