Dokonane już w 2014 roku ograniczenie przenikania ciepła przez przegrody budowlane  (współczynnika przenikania ciepła U [W/(m²K)] w Polsce [1] – jest dobrze przedyskutowane, znane i  stosowane. Wydaje się natomiast, że do powszechnej świadomości nie trafiły jeszcze inne wymogi, w szczególności ograniczenie przepuszczalności energii słonecznej przez przegrody zewnętrzne szklane i przezroczyste oraz związanej z tym redukcji promieniowania słonecznego przez urządzenia przeciwsłoneczne latem.

Problem ograniczenia przepuszczalności  energii słonecznej zderza się z wymogiem oświetlenia naturalnego oraz z produkcją energii ogniwami fotowoltaicznymi – rys.1 [2].  Fasady foltowoltaiczne przeżywają żywiołowy rozwój po ogłoszeniu strategii nZEB 2020 (ang. nearly Zero Energy Building w roku 2020) czyli „prawie zeroenergetycznej strategii budowania 2020”. Realizacja ambitnych założeń dyrektywy EOG z 2010 roku zostały przesunięte do 2050 roku, choć pierwsza realizacja elewacji z modułów fotowoltaicznych została wykonana już w 1991 roku w Stadtwerke Aachen – Niemcy poprzez osadzenie ogniw fotowoltaicznych w szkle izolacyjnym elewacji [3].  Współcześnie rozwijane  są adaptacyjne systemy elewacyjne BIPV ( ang. Building-Integrated PhotoVoltaics) poprzez realizację adaptacyjnych systemów solarnych ASF (ang. Adaptive Solar Facade ) oraz zintegrowanych systemów dynamicznej koncentracji  światła słonecznego ICDSF (ang. Integrated Concentrating Dynamic Solar Facade) [4].

Rys. 1. Poziomy ważności i konflikt cech fasad – okien [2]

Fasady, a przepuszczalność energii słonecznej

W Rozporządzeniu [1] – pkt.2.1.1., Zał.2 :”Wymagania izolacyjności cieplnej i inne wymagania związane z oszczędnością energii”  wprowadzono wymóg, by współczynnik całkowitej przepuszczalności energii promieniowania słonecznego dla okien, oraz przegród szklanych i przezroczystych w okresie letnim nie przekraczał wartości  0,35,:

$$\begin{equation}  g=f_c \cdot g_n \le  0,35 \label{1} \end{equation}$$

W wyrażeniu ($\ref{1}$)  $g_n$ jest  współczynnikiem całkowitej przepuszczalności energii promieniowania słonecznego dla typu oszklenia, który może być dobrany z tab. 1, a współczynnik $f_c$ redukcji promieniowania ze względu na zastosowanie urządzeń przeciwsłonecznych podano w tab.2. Wszystkie wartości zaczerpnięto z Rozporządzenia [1])

Fot.1. Żaluzje na budynku IFOVER w Kielcach [foto własne]

Fot.2. Lamele – powiększenie fot.1.

 Tab.1. Współczynnik całkowitej przepuszczalności energii promieniowania słonecznego $g_n$ [1]– Zał2 -2.1.2

Tab.2. Współczynnik redukcji promieniowania  ze względu na zastosowane urządzenia przeciwsłoneczne $f_c$ [1]– Zał2 -2.1.3
α_e – współczynnik absorpcji,  τ_e – współczynnik przepuszczalności

Współczynnik $f_c$ wyraża procentową redukcję promieniowania emitowanego do pomieszczenia ze względu na zastosowane urządzenia przeciwsłoneczne: łamacze światła (żaluzje zewnętrzne lub wewnętrzne),lub zasłony. Ograniczenia nie stosuje się w odniesieniu do powierzchni pionowych oraz powierzchni nachylonych więcej niż 60 stopni do poziomu, skierowanych w kierunkach od północno-zachodniego do północno-wschodniego (kierunek północny +/- 45 stopni), okien chronionych przed promieniowaniem słonecznym elementem zacieniającym, spełniającym wymaganie $g<0,35$, oraz do okien o powierzchni mniejszej niż 0,5 m^{2 _.}  

Ograniczenia powyższe stosuje się w celu ograniczenia nagrzewania się pomieszczeń od słońca latem, a w rezultacie  zmniejszenia zużycia energii koniecznej do ochłodzenia wnętrz, i w konsekwencji do poprawienia komfortu mieszkańców, ale przede wszystkim do zmniejszenia zużycia energii przez społeczeństwo , a przez to do aktywnej ochrony środowiska.

Z powyższego wynika, że projekt wszelkich budynków powinny zawierać dobór urządzeń ograniczających, nagrzewanie pomieszczeń.

Na zewnętrznej płaszczyźnie okien, stosuje się łamacze światła, często nazywane żaluzjami fasadowymi (fot.1, fot.2), w tym z ruchomymi lamelami (np. rys.2 – system SunProtecxtection), ustawianymi w zależności od kierunku podania słońca (pory dnia i roku), a także siły i kierunku wiatru. Mogą też być stosowane nowoczesne rozwiązania architektoniczne z ruchomymi elementami lub całymi ścianami.

Takie rozwiązania stanowią współczesną architekturę ruchu, a jednocześnie stanowią rozwiązania ograniczające zużycie energii na chłodzenie budynku poprzez ograniczenie nagrzewania pomieszczeń słońcem w lecie. Jednocześnie powstają możliwości  wprowadzenia adaptacyjnego systemu pozyskiwania energii., co opisano w rozdziale Fasady fotowoltaiczne.

Rys,.2.System SunProtection [Prospekt YawalSystem]

Fot.3.Budynek KOLPORTER w Kielcach z „drugą skórą” szklaną , a za nim IFOVER z fort.1. [fot. własna]

Na fot.3. pokazano rozwiązanie, polegające na zastosowaniu fasady szklanej (kurtynowej) jako drugiej skóry, nałożonej na standardowy budynek z tradycyjnymi oknami. (za nim budynek IFOVER ) z fot.1.

Fasady fotowoltaiczne

Zainteresowanie architektury zrównownoważonej skierowane jest przede wszystkim na budynki, bowiem aż 40% światowego zapotrzebowania na energię jest konsumowane przez budynki [3], a w rezultacie  ponad jedna trzecia  gazów cieplarnianych pochodziłaby z eksplotacji  budynków, jeśliby energię na ogrzewanie, klimatyzację i inne potrzeby otrzymywały one z paliw kopalnych [5].  Właśnie dlatego koncepcja budynku prawie zeroenergetycznego (ZEB), a w tym stosowanie elewacji fotowoltaicznych jest ważnym wyzwaniem ludzkości.

Fasady fotowoltaiczne uzyskane przez proste zamontowanie ogniw fotowoltaicznych  PV (ang. photovoltaics), są mało efektywne ponieważ ich szczytowa wydajność jest osiągana gdy są ustawione prostopadle do słońca.  Wystarczajacą efektywność PV uzyskuje się przy zastosowaniach na dach lub świetliki w budynkach lub poprzez ustawienie w terenie. W zastosowanich do pionowych ścian nalezy stosować panele  o zmienianym  kierunku ustawienia powierzchni zarówno w cyklu dziennym jak i rocznym. Takie  fasady  nazywa się ASF  ( ang. Adaptive Solar Fasade) lub APV ( ang. Adaptive PhotoVoltaic)  i są one najczęściej stosowane jako zintegrowane z konstrukcja budynku BIPV (ang. Building-Integrated PhotoVoltaics). Adaptacyjne fasady PV to zamontowana fasada PV z zastosowanym  mechanizmem śledzenia słońca. Fasada taka  łączy korzyści płynące z adaptacyjnego przesłaniania ( rola żaluzji ) z  adaptacyjną produkcją energii, a także adaptacyjnym dostarczania światła dziennego (na żądanie – jeśli takie są wymogi). W każdym przypadku śledzi się promienie słońca i  powierzchnię ustawia prostopadle do słońca (w celu przesłaniani lub produkcji energii lub równolegle ( w celu dostarczania światła dziennego).  Uzyskujemy wiec wspomaganie sytemu ogrzewania  i/lub chłodzenia budynku. [4], [6], [2].

Moduły APV są stosowane wraz z całym systemem  zarządzania budynkiem (BMS), prze co przybliżają cel, pozyskiwania energii, OZE,  a jednocześnie spełniają rolę przegród budowlanych  w dowolnych rozmiarach, kształtach i kolorach wraz z systemami zaciemniającymi .

Adaptacyjne instalacje fasad  fotowoltaicznych ASF (ang. Adaptive Solar Facade) stosowana z użyciem ruchomych żaluzji / żaluzji zintegrowanych wykonanych z PV, instaluje się pionowo lub poziomo przed fasadą i steruje siłownikami liniowymi, obsługującymi całe fasady. Seria żaluzji jest przymocowana do systemu dźwigni i popychaczy, które łączą je w mechaniczny układ sterowania, który umożliwiaj obracanie się żaluzji nawet o  90 stopni. Dobrym przykładem tego systemu jest Riverhouse w Rockefeller Park (Nowy Jork, U.S.A., 2009), który jest wieżowcem mieszkalnym z certyfikatem LEED Gold z włączonym pasywnym śledzeniem słonecznym (fot. 4) [7]. System PV, który wieńczy budynek, umożliwia szacunkowy wzrost o 20% wydajności pozyskiwania energii w porównaniu z równoważnym rozwiązaniem ze stałymi panelami PV [8].

Fot.4. Zintegrowane ogniwa słoneczne Mono-Si, pasywne żaluzje fotowoltaiczne śledzące energię słoneczną na Riverhouse w Rockefeller Park (2009) [7]

Mechanizmy śledzenia słońca

Śledzenie słońca może poprawić wydajność modułu PV nawet o 30-40 procent rocznie w porównaniu z modułem o stałym nachyleniu lub o około 70 procent w porównaniu z modułem zamocowanym poziomo [9].

Mechanizmy śledzenia słońca są podzielone na dwie grupy śledzenia : 1) jednoosiowo, 3)dwuosiowo, przy czym nieliczne są instalacjie BIPV, które zawierają podwójną oś śledzenia [10]. Lokalizatory słoneczne mogą działać z czujnikami słonecznymi („śledzenie słoneczne w zamkniętej pętli”) lub bez nich. Śledzenie słońca bez czujnika słońca realizowane jest z wykorzystaniem cyklicznego algorytmu astronomicznego, który ocenia położenie słońca na podstawie porównania szerokość i długość geograficzna z czasem UTC. („śledzenie słoneczne w otwartej pętli”).

Główną wadą modularnych adaptacyjnych fasad fotowoltaicznych jest złożoność techniczna siłowników śledzących światło słoneczne. Elementy te są kosztowne, gdy są przeznaczone do użytku na zewnątrz i na szeroką skalę.  Wymagają znacznych nakładów na konserwację ze względu na złożoność mechaniczną [11].  Pomimo udokumentowanej skuteczności śledzenia słońca, takie systemy nie zostały wdrożone na szeroką skalę ze względu na wysokie koszty oraz złożone mechanizmy , które należy dodać do  klasycznego systemu PV [12]. Dlatego rozwój nowatorskich podejść do stosowani tanich i lekkich czujników i siłowników  słonecznych jest ważnym problemem.  Testowane są tanie siłowniki pneumatyczne, które zresztą są już produkowane przemysłowo., albo sterowniki wykorzystujące higroskopijny charakter drewna  czułego na zmiany wilgotnosci [13]  na dachu budynku ETH House of Natural Resources do testów [14].

Adaptacyjne fasady solarne ASF

Na fot.5 przedstawiono przykład zastosowania adaptacyjnej fasady solarnej ASF  w budynku  biurowym Natural Resources w Zürich- Szwajcaria, (2015) to budynek biurowy na kampusie Hönggerberg Szwajcarskiego Federalnego Instytutu Technologii (ETH). Budynek służy jako laboratorium badawcze ETH Zurich zrównoważonych konstrukcji drewnianych oraz innowacyjnych fasady. Jeden z nowatorskich systemów zastosowanych w budynku to adaptacyjny modułowy system fasadowy PV, który jest częściowo umieszczony po południowej stronie obudowy budynku (fot.5).

Fot.5. Adaptacyjna fasada  solarna na południowej fasadzie budynku  Natural Resources Building  [14]

Fasada ASF składa się z pojedynczych modułów PV zamontowanych na sieci kablowej na elewacji. Moduły PV, które wytwarzają energię elektryczną poprzez wysokowydajne cienkowarstwowe ogniwa słoneczne z selenku miedziowo-indowo-galu (CIGS), mogą poruszać się za pomocą siłowników sterowanych pneumatycznie. W przypadku tych miękkich siłowników pneumatycznych moduły PV są ustawione pod pewnym kątem do słońca, aby działać wydajnie. Kontrolowane są różne tryby modułów w oparciu o czujnik, jak również od wejścia lokatora. System pomaga również kontrolować światło i ciepło wnętrza przestrzeń po prostu dostosowując ilość promieniowania słonecznego przez okno. Na płycie znajduje się 50 modułów fotowoltaicznych system. Całkowita waga każdego modułu PV – łącznie ze wspornikiem i lokalizatorem  słonecznym – wynosi około 0,8 kg. Ponieważ system jest bardzo lekki, nadaje się do montażu prawie wszędzie, w tym na istniejących budynkach [2].

Zintegrowane systemy dynamicznej koncentracji  światła słonecznego ICDSF

Systemy ICDFF zdefiniowano w [15] jako system fotowoltaiczny skoncentrowany, dynamiczny i adaptacyjny system oświetlenia dziennego do montażu ścian osłonowych z oknami skrzynkowymi w budynkach. To rozwiązanie zapewniało efektywny transfer energii elektrycznej i cieplnej do zastosowań wewnętrznych przy jednoczesnym zmniejszeniu uzysku energii słonecznej i poprawieniu oświetlenia dziennego poprzez włączenie półprzezroczystych modułów koncentracyjnych do podwójnej kurtynowych ścianek. System został wdrożony w 2009 roku w Centrum Architektury i Ekologii (CASE) w Nowym Jorku, który jest ośrodkiem badawczym Rennselaer Polytechnic Institute. 

Receptory skoncentrowanego szkła solarnego w kształcie piramidy receptory wyłapuje 85% światła słonecznego. Receptory poruszają się po osi, reagując na śledzenie słoneczne w zamkniętej pętli, aby zmaksymalizować zyski światło z wykorzystaniem bardzo dokładnego, ale niedrogiego mechanizmu śledzenia (fot.6). System fotowoltaiczny wychwytuje również uwięzioną energię cieplną przez szklane receptory do stosowania w systemach ogrzewania i chłodzenia budynku (fot.7). Szacunkowe analizy pokazują, że okresy zwrotu kosztów po zastosowaniu sytemu ICDSF są znacznie niższe niż w przypadku klasycznych systemów słonecznych. System można również zintegrować architektonicznie z dachami budynków.

Fot.7. Chłodzony wodą moduł PV firmy ICSF, korzystający z energii cieplnej (moduł PVT) 

Fot. 6 Zintegrowana fasada skoncentrowana (skupiająca energię słoneczną) [16])

Fasady wentylowane

Fasady wentylowane, wyposażone są w szczelinę powietrzną między okładziną elewacyjną a izolacją termiczną, dzięki czemu uzyskuje się lepszą ochronę wilgotnościową: obniżenie ryzyka kondensacji pary wodnej, poprzez zapewnienie stałwj temperatury i ciśnienie pary.
Ponadto uzyskujemy: nieduże odchylenia wilgotności i temperatury w konstrukcji nośnej, stałe wymiary materiału okładzinowego, brak mostków termicznych polepszenie parametrów ochrony p-poż.

Obecnie powszwechnuie akcoptowane są warunki i wytyczne zawarte Raporcie ETOA z 2011 roku [17], [18]

Przykładem systemów fasad wentylowanych jest  polski produkt ST-System.Literatura

1. Dz.U. 2002 nr 75 poz. 69 , tekst  jednolity Dz.U. 2019 poz. 1065 z późn zmianami)  [https://isap.sejm.gov.pl/isap.nsf/download.xsp/WDU20190001065/O/D20191065.pdf ]
2. Nagyn Z., Svetozarevic B., Jayathissa P., et al., (2016), The Adaptive Solar Facade: From concept to prototypes, Frontiers of Architectural Research, 5(2), pp 143-156
3. Heinstein P., Ballif C. and Perret-Aebi L. E. (2013),  Building integrated photovoltaics (BIPV): review, potentials, barriers and myths,  Green, 3(2), pp 125-156
4. Orhon A., V., A Review on Adaptive Photovoltaic Facades, Conference Paper, SOLAR TR 2016, December 2016
5. Lucon O., Ürge-Vorsatz D. (2014), Mitigation of Climate Change. Intergovernmental Panel on Climate Change. Fifth Assessment Report, pp 674-738
6. Perez, M. J., Fthenakis, V., Kim, H.C. and Pereira, A. O., 2012. Facade- integrated photovoltaics: a life cycle and performance assessment case study. Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 20(8), pp 975-990
7. http://www.altpower.com/projects/bipv/riverhouseat
8. Medio, S. 2013. Photovoltaic Design Integration at Battery Park City, New York. Buildings, 3(2), pp 341-356
9. Mousazadeh H., Keyhani  A., Javadi  A., et al. (2009), A review of principle and sun-tracking methods formaximizing solar systems output. Renewable and sustainable energy reviews, 13(8), pp 1800-1818
10. Prasad D., Snow M.. (2013), Designing with Solar Power: A Source Book for Building Integrated Photovoltaics,Earthscan
11. A/S Team of ETH Zurih., (2016.), Chasing the sun, Revue Technique Luxembourgeoise, 2016(2), pp 46-48
12. Lamoureux A., Lee, K., Shlian M., et al. (2015),  Dynamic kirigami structures for integrated solar tracking, Nature communications, 6
13. http://www.honr.ethz.ch/en/the-group/facade/wooden-bilayer.html
14. Svetozarevic B., Nagy Z., Hofer J., et al. (2016), SoRo-Track: A two-axis soft robotic platform for solar tracking and building-integrated photovoltaic applications. Robotics and Automation (ICRA), 2016 IEEE InternationalConference, pp 4945-4950
15. Dyson,A. H., Stark P. R. H. ,Jensen, M. K. (2007), Integrated concentrating (IC) solar façade system
16. SOM. The Center for Architecture Science and Ecology.  ((www.som.com/ideas/slideshows/ center_for_architecture_science_and_ecology
17. E O T A, ETAG 034. Guideline for european technical approval of kits for external wall claddings, Part I : Ventilated cladding kits comprising cladding. Components and associated fixings, Edition July 2011), [https://www.itb.pl/g/f/NTQy ]), Brussels
18. E O T A, ETAG 034. Guideline for european technical approval of kits for external wall claddings, Part II : Cladding kits comprising cladding. Components, Associated Fixings, Subframe and possible insulation layer, Edition May 2011, Brussels, [https://www.itb.pl/g/f/NTQz]

________________________________