* Przeszklona architektura ekologiczna

„Planetę nękały niegdyś gorące wiatry i uczeni dowiedli, że zagraża jej przemiana w szczerą pustynię. W związku z tym opracowali wielki plan irygacyjny, aby go wprowadzić w życie, założono odpowiednie instytucje i nadrzędne biura; potem atoli, gdy zbudowano już sieć kanałów i zbiorników, biura nie chciały się rozwiązać i działały dalej, nawadniając Pintę coraz bardziej. Doszło do tego – mówił profesor – że to, co miało być opanowane, opanowało nas”.

Stanisław Lem „Dzienniki gwiazdowe” podróż trzynasta 1957

Porównanie wielkości Słońca i Ziemi

Gdy w 1987 roku Światowa Komisja Środowiska i Rozwoju ONZ ogłaszała raport „Nasza wspólna przyszłość” (Our Common Future), od początku okresu rewolucji przemysłowej, przełomowego momentu w historii ludzkości, minęło ledwie 200 lat. Oznacza to, że jedynie kilka pokoleń cieszyło się możliwością nieskrępowanego rozwoju technologicznego, urbanizacji i towarzyszącej im poprawy warunków życia.

Nasza generacja zaczęła bardzo poważnie martwić się, czy ludzie nie zużyją Ziemi zbyt szybko i jaki los czeka przyszłe pokolenia. W raporcie sformułowano doktrynę rozwoju zrównoważonego. Zaangażowanie międzynarodowego świata polityczno-gospodarczego w jej upowszechnienie i powiązane z nią zagadnienia: globalnego ocieplenia, ograniczenia śladu węglowego, budownictwa ekologicznego i efektywności energetycznej, od końca lat osiemdziesiątych ub. w. przybrało na sile.

Chociaż może się to wydawać zaskakujące, jest również wiele głosów naukowców o niepodważalnym dorobku, negujących wpływ ludzi na istotne zmiany środowiska i ocieplenie klimatu. Dla wielu badaczy to Słońce, emitujące niewyobrażalne porcje energii, decyduje o zmianach na Ziemi, które nie są niczym zaskakującym i zdarzają się cyklicznie. Wszystkich ludzi, czyli 7 miliardów, można by zaprosić na wiec „O naszej wspólnej przyszłości”, zmieszczą się bez trudu w Warszawie i okolicznych miejscowościach. W skali całego globu będą dostrzegalni jako mały punkcik.

Być może przypisujemy sobie zbyt wielkie moce sprawcze. Chociaż, rozglądając się wokół siebie trudno zaprzeczyć, że zmieniamy świat i od wielu setek lat do życia potrzebujemy środowiska zurbanizowanego – budynków i powiązanej z nimi infrastruktury. Tylko jakich budynków? Czy nie wystarczyłyby takie, jak od starożytności: użyteczne, trwałe i piękne? Bo współcześne muszą być dodatkowo: zrównoważone, efektywne energetycznie, z certyfikatami BREEAM, LEED – czyli ekologiczne…

Swoiski low-tech. Półprzejrzysta ściana z butelek

Sposoby realizacji architektury ekologicznej są sprzeczne, jak high-tech i low-tech – żaden nie jest doskonały. Od pierwszych realizacji high-tech, które wpłynęły na kształt współczesnej architektury przeszklonej, dzieli nas nieco ponad 50 lat. Doświadczenia zebrane w tym relatywnie krótkim czasie wskazują, że nic nie starzeje się szybciej, nie jest źródłem tylu usterek i nie jest równie kosztowne, co budownictwo zaawansowane technologicznie. Najnowocześniejszy budynek, wyposażony w najlepsze przeszklenia i instalacje, sterowany BMS, zapewniający optymalny bilans energetyczny, po 10 latach użytkowania staje się przestarzały. Po 25 latach w większości przypadków wypadałoby wymienić w nim wszystko poza konstrukcją.

To wielkie marnotrawstwo i brak poszanowania każdej formy energii. Idea low-tech - powrotu do nieskomplikowanego budownictwa opartego na materiałach, które można bez trudu i we własnym zakresie zebrać w sąsiedztwie – jak np. szklane butelki jest propozycją raczej niszową. Mimo że bilans energii w tego typu budynkach jest bardzo korzystny, większość współczesnych ludzi z naszego kręgu cywilizacyjnego dobrowolnie nie zaakceptowałby takiego standardu.

Pomiędzy low a high-tech można usytuować budownictwo pasywne, w którym dzięki wykorzystaniu naturalnych procesów fizycznych przy ograniczonej ilości urządzeń i dostaw energii steruje się wewnętrznym klimatem budynków. Można też z podziwem patrzeć na trwałość i nieosiągalny dla współczesnych budynków stopień ekonomicznej efektywności właściwy gotyckim katedrom z zachowanym, średniowiecznym, w pełni funkcjonalnym witrażowym przeszkleniem z marnym współczynnikiem przenikania ciepła.

Mimo wielu sprzeczności, różnych doświadczeń, niejednoznacznych badań, władze Unii Europejskiej nie mają żadnych wątpliwości, jak powinno wglądać zrównoważone, przyjazne Ziemi i ludziom budownictwo – powinno być niemal zeroenergetyczne – potwierdza to artykuł 9 znowelizowanej dyrektywy Parlamentu Europejskiego i Rady 2010/31/UE w sprawie charakterystyki energetycznej budynków.

Sama idea wznoszenia budynków samowystarczalnych, które obok podstawowej funkcji czyli ochrony przed czynnikami zewnętrznymi są jeszcze wyposażone w systemy wytwarzające energię do zasilania, ogrzewania, chłodzenia i wentylacji jest z pewnością fascynująca. Co więcej, dzięki coraz liczniejszym, jednak ciągle pionierskim realizacjom budynków zeroenergetycznych można z przekonaniem przyjąć tezę, że jest to właściwy kierunek rozwoju. Jednak data 31 grudnia 2020 r. jako dzień, w którym już wszystkie budynki wznoszone będą w standardzie niemal zeroenegetycznym, podobnie jak perspektywa 6 lat na dostosowanie budynków zajmowanych przez władze państwowe do tego standardu (zapewne należy przez to rozumieć nie tylko budynek parlamentu ale wszystkie urzędy gmin, powiatów, sądy, komendy i wiele innych) budzi niepokój.

Dyrektywa w sprawie charakterystyki energetycznej budynków pełna jest zapisów niemożliwych do spełnienia przy obecnym, ograniczonym dostępie do najnowszych technologii, stanie świadomości, umiejętności i możliwości finansowych inwestorów, projektantów, wykonawców, właścicieli i zarządców budynków. Obecny standard energetyczny w przypadku dobrze zaizolowanych i efektywnie ogrzewanych budynków to ok. 70 kWh/m2/rok, przeciętny budynek charakteryzuje zużycie energii pierwotnej  na poziomie 120 kWh/m2/rok, w centrach handlowych wartość ta może być wyższa niż 500 kWh/m2/rok. Unia Europejska pozostawiła państwom członkowskim furtkę ze słowa „niemal” i swobodę interpretacji, ile wyniesie to „niemal zerowe” zużycie energii. Jeżeli w Polsce będzie to 100 kWh/m2/rok, to nie mamy się specjalnie czym przejmować.

Przekrój przez trzyszybowe okno dla domu pasywnego

Traktując jednak z całą powagą założenia ambitnego programu, to w tej chwili tylko jeden materiał jest w stanie przybliżyć nas do ekologicznego i zeroenergetycznego ideału budownictwa, czyli szkło.

Podstawowymi składnikami szkła są najbardziej rozpowszechnione na Ziemi pierwiastki tlen i krzem.

Trudno o bardziej ekologiczny i równie dostępny w przyrodzie surowiec do produkcji niż piasek. Szkło jest bardzo trwałe, neutralne dla środowiska, co więcej, nadaje się w 100% do ponownego przetworzenia. Energia wbudowana szkła to ok. 20 MJ/kg, zupełnie nieźle jak na materiał wytwarzany w specjalistycznych zakładach przetwórczych. Czyli w najwyższym stopniu spełnia bazowe wymagania dla materiału ekologicznego (reduce, reuse, recycle – ograniczenie zużycia, ponowne użycie, możliwość przetworzenia).

Współczesne procesy produkcyjne pozwalają na wytworzenie ze szkła solidnej bariery dla wszystkich oddziaływań środowiska, od zwykłego uderzenia, poprzez ogień, do promieniowania UV. Szkło daje olbrzymie możliwości kierowania przepływem energii w budynku, jak np szkło niskoemisyjne. Jest materiałem o szerokim spektrum zastosowań: konstrukcyjnych, izolacyjnych, jako nośnik oświetlenia, ogniw fotowoltaicznych i zachowuje swoją podstawową właściwość nieosiągalną dla większości materiałów budowlanych: jest przezroczyste.

Fasada elementowa ze szkleniem dwukomorowym w budynku Złota 44 umożliwi osiągnięcie Uw =0,9 W/m2K

Podstawowa wielkość fizyczna charakteryzująca współczesne budynki, na którą można wpływać stosując szkło, to współczynnik przenikania ciepła U. Dzięki nowoczesnym materiałom budowlanym wykonanym na bazie szkła dość łatwo można sprostać coraz wyższym wymaganiom dotyczącym izolacyjności cieplnej budynków. Obowiązujące, krajowe przepisy narzucają współczynnik przenikania ciepła dla ścian równy 0,3 W/m2K, wartość wymagana dla okien różni się sześciokrotnie i wynosi 1,8 W/m2K z wyjątkiem IV i V strefy klimatycznej gdzie wymagana jest wartość 1,7 W/m2K.

Najnowsze rozwiązania w dziedzinie szyb zespolonych pozwalają ujednolicić właściwości termoizolacyjne całej zewnętrznej powłoki budynku. W produkcji seryjnej są zespolenia dwukomorowe, dla których współczynnik przenikalności cieplnej Ug przyjmuje wartości z zakresu od 0,8 do 0,3 W/m2K. Należy brać pod uwagę fakt, że idealna izolacja budynku, jest też efektywną barierą dla zysków ciepła pochodzących z promieniowania słonecznego i równomiernie ocieplony budynek może mieć mniej korzystny roczny bilans energetyczny niż budynek którego południowe elewacje są przepuszczalne dla promieniowania słonecznego.

Szklenie dwukomorowe (trzyszybowe) jest produktem dostępnym i coraz częściej wybieranym przez projektantów i inwestorów. W budowanym właśnie wysokościowcu Złota 44 montowane są moduły fasady elementowej ze szkleniem dwukomorowym. Dzięki takiemu rozwiązaniu wartość współczynnika przenikania ciepła dla przegrody przeszklonej wyniesie 0,9 W/m2K.

Fasada dwupowłokowa w budynku BRE Banku

Alternatywą dla przeszkleń dwukomorowych jest VIG (vacuum insulated glass) – szkło próżniowe. Standardowa szyba tego typu ma grubość 6 mm, składa się z 2 cienkich tafli szkła i próżni zamkniętej między nimi o grubości rzędu dziesiątych części milimetra. Szyby oddzielają drobne elementy dystansowe, które zapobiegają ich zapadaniu się i pękaniu. Szklenie próżniowe zapewnia jakość izolacyjności termicznej taką, jak najlepsze zestawy dwukomorowe przy zachowaniu wymiarów szklenia pojedynczego.

W porównaniu z ciężkimi zestawami dwukomorowymi, szkło próżniowe zapewnia olbrzymią oszczędność materiału i pozwala zredukować obciążenia działające na konstrukcje ram i profili niosących przeszklenia. W szybach próżniowych nie wystąpi kłopotliwa kondensacja.

Szereg zalet należy uzupełnić o znakomite parametry izolacyjności akustycznej. Jednak upowszechnianie VIG nie jest tak dynamiczne, jak można by się spodziewać. Największą barierą w stosowaniu szyb próżniowych jest ich ograniczona podaż. Niewiele zakładów produkcyjnych może pozwolić sobie na inwestycję w innowacyjny produkt w momencie, gdy ich hale produkcyjne wyposażone są w zupełnie nowe linie technologiczne do wytwarzania standardowych szyb zespolonych. Referencyjnych realizacji najlepiej szukać w Japonii, gdzie szkło próżniowe dostępne jest jako produkt komercyjny od połowy lat dziewięćdziesiątych.

Czyste szkło w postaci spienionej, złożone z zamkniętych komórek – jest niedocenianym i bardzo przyjaznym środowisku materiałem izolacyjnym. Do produkcji szkła piankowego używa się w dużym stopniu surowca z odzysku. Deklarowany przez producentów współczynnik przewodzenia ciepła dla szkła piankowego czarnego to 0,045 W/mK i jest zbliżony do wielkości λ=0,040 W/mK, która charakteryzuje styropian i wełnę mineralną. Zastosowanie szkła piankowego zmniejsza ryzyko wystąpienia zawilgocenia czy korozji biologicznej budynku. Szkło piankowe znacznie lepiej sprawdza się w przypadku pożaru niż konwencjonalne materiały izolacyjne, jest niepalne i nie wydziela szkodliwych gazów. Należy podkreślić zalety tego materiału, takie jak trwałość, stabilność wymiarów i łatwość obróbki.

Kunsthaus w Graz, Austria

Nieszablonową formę Kunsthaus Graz, realizacji z 2003 r. udało się uzyskać również dzięki właściwościom izolacji ze szkła piankowego.

Niestety, szkło piankowe jest produktem drogim  i trudnodostępnym na polskim rynku, zmusza to entuzjastów tego materiału do poszukiwań producentów i dostawców w innych krajach.

W tendencję doskonalenia efektywności energetycznej budynków doskonale wpisują się również systemy fasad dwupowłokowych. Fasada dwupowłokowa to przegroda składająca się z dwóch warstw przeszklonych ścian osłonowych oddzielonych wentylowaną szczeliną buforową. Jedna z powłok jest zwykle konwencjonalną ścianą osłonową szkloną szybami zespolonymi, w powłoce drugiej zastosowane jest najczęściej szklenie pojedyncze. Każda fasada dwupowłokowa powinna być projektowana jako rozwiązanie obiektowe. Analiza przepływu powietrza, nasłonecznienia z uwzględnieniem zmian dobowych i rocznych musi być zawsze przeprowadzona dla konkretnej lokalizacji.

W projekcie fasady należy wziąć pod uwagę również czynniki generowane wewnątrz budynku, mające wpływ na jej funkcjonowanie. Fasada dwupowłokowa to typ konstrukcji, który wymaga olbrzymiej kultury eksploatacji i konsekwencji w usuwaniu usterek. Zaniedbania mogą szybko doprowadzić do jej zupełnej degradacji, o czym przekonało się już wielu inwestorów na całym świecie. Fasady typu podwójna skóra buduje się powszechnie od początku lat osiemdziesiątych XX w. W ciągu trzydziestu lat skonstruowano wiele ich typów, od pasywnych do aktywnie współdziałających z systemami HVAC. 

Prawidłowo funkcjonująca fasada dwupowłokowa pozwala zapanować nad wszystkimi czynnikami działającymi na budynek: zmianami temperatury, przepływem powietrza, oświetleniem i transmisją dźwięku. Właśnie „omnipotencja” fasad dwupowłokowych jest silną zachętą do podejmowania wyzwania, jakim jest ich projektowanie, budowa i eksploatacja. Między innymi dzięki zastosowaniu fasady dwupowłokowej wentylowanej budynek biurowy firmy Schuco w Siestrzeni zużywa jedynie 80 kWh/m2 EP rocznie.

Biurowiec Schuco osiąga tak dobry bilans energetyczny również dzięki inwestycji w wykorzystanie energii słonecznej. Procesy konwersji fototermicznej i fotowoltaicznej umożliwiają sięganie po czystą energię słoneczną w płaszczyznach przeszkleń budynków. Szkło jest najlepszym nośnikiem ogniw fotowoltaicznych i osłoną urządzeń solarnych. Fotowoltaika zintegrowana z przeszkleniami ścian i dachów budynków (BIPV) jest tą technologią, która umożliwia przekształcenie budynku energochłonnego w samowystarczalny pod względem energetycznym.

Większość polskich realizacji w tej dziedzinie to systemy autonomiczne – off-grid. Budowa systemów grid-tied (podłączonych do sieci), korzystnych ze względu na możliwość ograniczenia towarzyszącej ogniwom instalacji, jest znacznie trudniejsza ze względu wymagania formalne, jakie należy spełnić jako dostawca energii. W ubiegłym roku zrealizowano instalację fotowoltaiczną o mocy 82 kW dla Wojewódzkiego Specjalistycznego Szpitala im. dr Władysława Biegańskiego w Łodzi. Charakterystyczne szklane panele z ogniwami fotowoltaicznymi rozmieszczone są na południowej elewacji i dachach zabudowań szpitala. Jedną z najstarszych funkcjonujących europejskich realizacji typu BIPV jest południowa ściana laboratorium ELSA we włoskiej miejscowości Ispra, wyposażona w ogniwa fotowoltaiczne w połowie lat dziewięćdziesiątych.

Uwaga projektantów i technologów z branży szklarskiej jest skupiona na rozwiązaniach ekologicznych i energooszczędnych a nawet plusenergetycznych. Komercyjna oferta przetwórców szkła obejmuje wiele produktów, które pozwalają tworzyć architekturę przyjazną środowisku naturalnemu i ludziom. Jednak, czy to wystarczy, aby w standardzie zeroenegetycznym powstawały wszystkie budynki w 2020 r., jeśli teraz są ich śladowe ilości?

Trzeba poczekać do 2020 roku i sprawdzić, jak to założenie opublikowane w Dzienniku Urzędowym Unii Europejskiej będzie realizowane w praktyce. Ponieważ przewidywanie przyszłości, nawet tak nieodległej jest obarczone dużym ryzykiem niepowodzenia, to warto prześledzić co działo się ze zbliżonymi ideami wcześniej. Wypada odwołać się do Karty Ateńskiej – opracowanej przez CIAM – Międzynarodowy Kongres Architektury Nowoczesnej w 1933. Dokument ten miał szczytny cel: poprawę warunków życia w przeludnionych i zanieczyszczonych śródmiejskich dzielnicach.

Jego pokłosiem są dwudziestowieczne blokowiska.

mgr inż. arch. Sylwia Melon-Szypulska

Całość artykułu w wydaniu drukowanym i elektronicznym 

inne artykuły o podobnej tematyce patrz Serwisy Tematyczne

więcej informacj: Świat Szkła 10/2012