Nowoczesne systemy wentylacji przez szklane fasady w wysokich budynkach. Jak poprawić komfort i jakość powietrza wewnątrz pomieszczeń?
Wentylacja pomieszczeń przez szklaną fasadę to sprawdzone rozwiązanie, które zyskuje na popularności dzięki nowoczesnym systemom fasadowym. Umożliwiają one naturalną wymianę powietrza nawet w wysokich budynkach, dzięki grawitacyjnym czerpniom i wyrzutniom. Omawiamy innowacyjne technologie, które pozwalają na efektywne działanie budynków zarówno w trybie wentylacji naturalnej, jak i klimatyzowanej, zapewniając komfort i oszczędność energii.
Spis treści
- Szklane budynki - początki
- Jakość powietrza w budynkach
- Pomieszczenia wentylowane bezpośrednio (otwierane okna)
- Pomieszczenia wentylowane pośrednio (przez strefę buforową)
- Podwójne fasady - rodzaje
- Działanie budynków w dwóch trybach wentylacji: zimowym i letnim
- Systemy wymiany mechanicznej
- Fasady wentylowane. Zdjęcia
Szklane budynki - początki
Dostęp do światła, powietrza i słońca był najważniejszym postulatem modernizmu w architekturze, który stanowił reakcję na XIX-wieczne miasta z intensywną, niewystarczająco przewietrzaną i niedoświetloną zabudową. Zastosowanie szerokich pasowych okien i otwieranych kwater to niewątpliwie jego zdobycze. Do osiągnięć modernizmu należy również tzw. styl międzynarodowy, którego ikonicznym przykładem jest amerykański szklany wieżowiec, z każdej strony wyglądający tak samo. Takie szklane budynki zaczęły od lat 50. XX w. powstawać początkowo w USA, a następnie na całym na świecie. Wnętrza były klimatyzowane, a fasada stanowiła szczelne odseparowanie dwóch środowisk: zewnętrznego i wewnętrznego, np. Lever House.
Kryzys energetyczny lat 70. XX w. skłonił wielu projektantów do dalszej optymalizacji zużycia energii w budynkach. Odpowiedzią było coraz lepsze uszczelnienie budynków w celu osiągnięcia jeszcze wyższych poziomów odzysku energii. Ten jest jednak możliwy wyłącznie w sytuacji, w której da się sterować strumieniem energii napływającej do budynku lub z niego usuwanej. Tylko wykorzystanie mechanicznych wentylatorów pozwala przetłaczać powietrze o odpowiedniej temperaturze przez rekuperatory – urządzenia odzyskujące część energii ze strumienia, który jest usuwany z budynku lub do niego zasysany.
Jakość powietrza w budynkach
Istotna zamiana nastąpiła w 1976 r., kiedy to w trakcie zjazdu weteranów wojennych w hotelu Bellevue Stratford w Filadelfii doszło do wybuchu epidemii legionelliozy. Zachorowało wówczas 221 osób, z czego 34 zmarły. Legionelloza, która przybiera postać ostrego zapalenia płuc, jest chorobą wywoływaną przez bakterie. Do zakażenia dochodzi drogą wziewną, przez wdychanie wodnego aerozolu. W przypadku hotelu Bellevue Stratford źródłem patogenu okazała się wadliwa instalacja klimatyzacyjna.
Od czasu tego tragicznego wydarzenia datuje się intensywne badania nad jakością powietrza w budynkach, określane jako badania nad jakością powietrza w pomieszczeniach (ang. internal air quality). Ich efektem jest zdiagnozowanie tzw. syndromu chorego budynku (ang. sick building syndrome), który wywołują m.in. drobnoustroje (bakterie, grzyby lub ich zarodniki) bytujące wewnątrz kanałów wentylacyjnych i przedostające się do pomieszczeń właśnie tą drogą.
Odkryto, że opisywane problemy nie dotyczyły jednak budynków naturalnie wentylowanych, w których dochodziło do intensywnej wymiany świeżego powietrza. Ta obserwacja skłoniła zarówno projektantów, jak i inwestorów do podejmowania decyzji o stopniowym otwieraniu budynków na infiltrację powietrzem zewnętrznym. Pierwsze przypadki dotyczyły budynków niskich – takich, w których prędkość wiatru nie stanowiła problemu, następnie zostały opracowane rozwiązania umożliwiające wentylowanie powietrzem zewnętrznym także budynków wysokich.
Wentylacja grawitacyjna nie jest niczym nowym – przed odkryciem i zastosowaniem systemów mechanicznej wymiany powietrza była jedynym dostępnym sposobem wymiany powietrza. Stopniowa zmiana w podejściu projektantów polegała głównie na tym, że łączono systemy mechanicznej i naturalnej wymiany powietrza. Działo się to głównie dzięki opracowaniu dwóch trybów pracy budynku: naturalnie i mechanicznie wentylowanego.
Polecany artykuł:
Pomieszczenia wentylowane bezpośrednio (otwierane okna)
Systemy wentylacji pomieszczeń przez fasadę można podzielić na dwie zasadnicze grupy (szczegółowe podziały są oczywiście możliwe, ale na potrzeby niniejszego artykułu, taki podział w zupełności wystarczy). Są to:
- Systemy wentylacji bezpośredniej, gdzie powietrze zewnętrzne przedostaje się bezpośrednio do wnętrza pomieszczenia, np. tak jak w przypadku konwencjonalnych okien
- Systemy pośrednie, w których powietrze z zewnątrz w pierwszej kolejności wpada do przestrzeni buforowej, a następnie do wnętrza pomieszczenia.
W tym miejscu jest jednak niezbędne pewne zastrzeżenie. Bezpośrednie wprowadzenie zewnętrznego powietrza do wnętrza ma również swoje wady. Po pierwsze: razem ze strumieniem powietrza z zewnątrz wprowadzamy też ciepło (lub chłód, w zależności od pory roku), zanieczyszczenia oraz hałas. Właśnie to niekorzystne zjawisko było przyczyną opracowania systemów pośrednich, to znaczy takich, w których w przestrzeni buforowej powietrze jest ogrzewane (lub schładzane), zmniejsza się energia akustyczna, ewentualne filtry umożliwiają redukcję poziomu zanieczyszczeń. Szczegółowe rozwiązania są bardzo różne i zależą od lokalizacji budynku, strefy klimatycznej i wysokości zabudowy.
Wśród systemów konwencjonalnych, czyli w przypadku otwieranych okien, wypracowano istotne innowacje. Okna w ramach rozwieranych i uchylnych zazwyczaj obsługiwane są przed użytkowników osobiście (tu nie ma innowacji) lub za pośrednictwem systemów pantografowych prowadnic. W systemach zautomatyzowanych okna mogą być obsługiwane przez siłowniki i otwierać się w zależności od temperatury lub wilgotności. W systemach bezpośrednich do największych nowości, stosowanych jest od lat 90. XX w., należą tzw. klapy wentylacyjne, czyli nieprzeszklone otwierane elementy fasady, które umożliwiają bezpośrednią wymianę powietrza z otoczeniem.
Jednym z wcześniejszych przykładów zastosowania tego systemu jest fasada Schroniska Młodzieżowego w Düsseldorfie (arch. Günter Helten; nagroda BDA z roku 2010). Pomieszczenia mieszkalne zostały przeszklone dużymi oknami balkonowymi typu porte-fenêtre, które są nieruchome. Higieniczna wentylacja pomieszczenia jest zapewniona przez klapę wentylacyjną zlokalizowaną pionowo, wzdłuż okna, którą otwierają użytkownicy pomieszczenia od wewnątrz. Klapa znajduje się za odpowiednio ukształtowaną, perforowaną aluminiową przesłoną, polakierowaną w kontrastowym kolorze. System jest bardzo łatwy w obsłudze, a jednocześnie bezpieczny. Perforacja odpowiednio moderuje przepływ powietrza, dzięki czemu nie tworzą się przeciągi.
Nie ma potrzeby otwierania dużego szklanego skrzydła okna głównego, gdy można zapewnić wentylację przez klapę (ryc. 3). Podobny system zastosowano w „wYe” – Head Quarters, budynku Zakładu Gospodarki Komunalnej w Neuss (arch. Eike Becker Architekten). Fasada została podzielona na duże pionowe przeszklenia podzielone klapami wentylacyjnymi w kolorze szarym. System rozmieszczono zarówno na południowych, jak i północnych fasadach, co umożliwia wentylację na przestrzał. Dzięki takiemu rozwiązaniu żaluzja, która przesłania nieruchome okno, nie znajduje się w strumieniu przepływającego powietrza i pozostaje nieruchoma. Klapy zastosowano również w budynku Komendy Powiatowej Policji w miejscowości Mettmann (arch. Enno Schneider Architekten). W tym obiekcie odchylna klapa zlokalizowana jest obok okna, na wysokości parapetu.
Pomieszczenia wentylowane pośrednio (przez strefę buforową)
Systemy pośredniej wymiany powietrza przez fasadę zaczęto stosować na początku XX w. Pierwszy budynek z podwójną fasadą to hala maszyn w fabryce Steiff w miejscowości Giengen an der Brenz (1902). Co ciekawe, zarówno wówczas, jak i współcześnie bywa, że głównym powodem zastosowania podwójnej fasady jest ochrona akustyczna, a nie względy klimatyczne. Systemy pośrednie charakteryzują się tym, że równolegle do właściwej, termoizolacyjnej fasady (zwykle) szklanej, tworzona jest przestrzeń buforowa, pośrednia, przez którą następuje wymiana powietrza między zewnętrzem (warunkami i temperaturą zewnętrzną) a wnętrzem pomieszczenia.
Wydzielenie tej strefy buforowej dokonywane jest w różny sposób, ale najczęściej odbywa się to przez dołożenie do fasady dodatkowej zewnętrznej pojedynczej tafli szkła w odległości od 20 do 120 cm. Na poziomie stropu zewnętrzna warstwa szkła wyposażana jest w otwory wentylacyjne (grawitacyjne czerpnie i wyrzutnie), które zapewniają wymianę powietrza. To właśnie od tego, jaka jest trasa jego przepływu, zależy rozróżnienie wariantów systemów wentylacji pośredniej.
Najczęściej spotykanym jest system podwójnej fasady, funkcjonujący według zasady opisanej powyżej. W najbardziej zaawansowanych systemach czerpnie i wyrzutnie wyposażone są w sterowane centralnie klapy, które umożliwiają regulację przepływu powietrza w zależności od warunków atmosferycznych. Ogólnie, podwójna fasada funkcjonuje w trybie dziennym i nocnym (letnim i zimowym), dostosowując warunki przepływu powietrza w celu optymalizacji temperatury wewnątrz budynku z zachowaniem higienicznej wymiany powietrza.
Podwójne fasady - rodzaje
Systemy podwójnych fasad zostały spopularyzowane w latach 90. XX w. i stosowano je bardzo często do końca pierwszej dekady XXI w. Zrealizowano w tym systemie wiele budynków, zwłaszcza wysokich wieżowców. Zewnętrzna, pojedyncza warstwa szkła łagodzi podmuchy wiatru na dużych wysokościach, co pozwala na wykorzystanie wentylacji grawitacyjnej nawet na poziomie kilkudziesięciu kondygnacji.
Doskonałym przykładem tego systemu z początku XXI w. może być biurowiec Post Tower AG w Bonn (arch. Murphy-Jahn), który został wyposażony w podwójną fasadę na całej wysokości (163 m). Fasada składa się z:
- wewnętrznego płaszcza wykonanego z podwójnego przeszklenia
- strefy buforowej, w której zainstalowano żaluzje (w ten sposób są chronione przed podmuchami wiatru)
- zewnętrznego płaszcza zawierającego regulowane klapy wentylacyjne (widoczne na zdjęciu w postaci poziomych przeszklonych pasów)
Powietrze napływa do przestrzeni fasady przez czerpnie, a następnie jest rozprowadzane w przestrzeni buforowej i przedostaje się do pomieszczeń, które mają otwierane okna. Innym świetnym przykładem jest budynek biurowca NRW Bank w Düsseldorfie (arch. RKW Architekten), w fasadzie którego doskonale widoczne są elementy czerpni i wyrzutni.
Fasady podwójne dzieli się na różne rodzaje, w zależności od tego, na jakiej przestrzeni rozprowadzane jest czerpane powietrze. Wyróżnia się:
- Tzw. systemy jednostkowe/skrzynkowe (ang. box window), korytarzowe, w których powietrze rozprowadzane jest tylko na jednym poziomie, i systemy wielokondygnacyjne (ang. multi-storey). Doskonałym przykładem zastosowania systemu skrzynkowego jest fasada hotelu Hyatt Regency w Düsseldorfie (arch. SOP Architekten). Powietrze jest rozprowadzane tylko w pojedynczym module fasady, tak jak w oknie skrzynkowym. Zewnętrzna, pojedyncza tafla fasady jest wyfrezowana w taki sposób, że zarówno u dołu modułu, jak i u góry – po przekątnej – tworzą się otwory wentylacyjne. Powietrze wpada przez otwór u dołu (czerpnie), ogrzewa się w przestrzeni fasady (odbiera ciepło od nagrzanej słońcem żaluzji) i jest odprowadzane przez wyrzutnię u szczytu modułu.
- Kolejny typ to fasada korytarzowa (ang. corridor facade), czyli taka, w której świeże powietrze rozprowadzane jest na przestrzeni jednej kondygnacji, a poszczególne moduły fasady nie są od siebie oddzielone. Taki system został zastosowany w fasadzie centrali firmy Mercedes-Benz w Monachium (arch. Lanz Architekten + Generalplaner). W tym budynku wymiana powietrza w fasadzie odbywa się krzyżowo: w widoku fasady czerpnie i wyrzutnie zlokalizowane są zamiennie. Powietrze jest czerpane w jednym module, a wyrzucane na zewnątrz w sąsiednim
- Systemy wielokondygnacyjne (ang. multi-storey). Przykładem systemu, w którym dochodzi do wymiany powietrza na wysokości wielu kondygnacji, jest budynek Edificio De Oficinas Interface w Barcelonie (arch. Enric Batlle, Joan Roig – Arquitectos, ryc. 12). Wymiana powietrza prowadzona jest na wysokości całej fasady, poszczególne kondygnacje rozdzielone są jedynie kratami pomostowymi. Geometria fasady przypominająca łuski sprzyja intensywnej wymianie powietrza. Edificio De Oficinas Interface to doskonały przykład tego, że podwójna fasada może być również stosowana w klimacie śródziemnomorskim. Jedną z bardziej znanych współczesnych realizacji jest budynek biurowy cube berlin (arch. 3XN), w którym na wewnętrznej, termoizolacyjnej fasadzie umieszczono zewnętrzną, szklaną fasetowaną przesłonę.
- Wśród systemów fasad podwójnych spotyka się także systemy, w których do wymiany powietrza wykorzystywany jest szyb wentylacyjny (ang. shaft facades). Przykładów zastosowana tych systemów jest niewiele. Ich zasada działania jest nieco odmienna: w geometrii fasady zostaje ukształtowany komin wentylacyjny, w którym powietrze nagrzewa się i wznosi na zasadzie efektu kominowego. Podciśnienie (ssanie), które się tworzy w kominie wentylacyjnym, wykorzystywane jest do wentylacji poszczególnych modułów fasady.
Działanie budynków w dwóch trybach wentylacji: zimowym i letnim
Systemy wentylacji pomieszczeń przez fasadę projektowane w klimacie umiarkowanym są zazwyczaj dostosowane do pracy w dwóch trybach: dobowym i sezonowym. Działają podobnie jak rozbudowana przeszkolona weranda. Tryb dobowy uzależniony jest od pory roku, więc ostatecznie otrzymujemy cztery warianty pracy takiej fasady.
Przyjrzyjmy się funkcjonowaniu fasady w zimie: w zimową noc czerpnie i wyrzutnie pozostają zamknięte, bufor nie jest wentylowany celem ochrony przed utratą ciepła. W niektórych systemach w zimowe noce opuszcza się nawet żaluzje, żeby podzielić bufor na jeszcze więcej niewentylowanych przestrzeni i jeszcze bardziej utrudnić utratę ciepła przez konwekcję. W zimowy dzień bufor nadal jest uszczelniony, ale podnosi się żaluzje, aby wykorzystać efekt cieplarniany do podgrzania wnętrza.
Podczas letniej nocy bufor jest otwarty, a przewietrzanie pomieszczeń pomaga odprowadzić ciepło zgromadzone w budynku w ciągu gorącego dnia. W letni dzień czerpnie i wyrzutnie są otwarte, odprowadzają ciepło, które gromadzi się w buforze. Okna służące wentylacji wnętrz są jednak zamknięte, a budynek funkcjonuje w trybie klimatyzacji. Dzieje się tak, ponieważ powietrze w przestrzeni bufora jest znacznie cieplejsze niż pożądana temperatura wewnątrz, a klimatyzacja jest jedynym sposobem na schłodzenie wnętrz.
Systemy wymiany mechanicznej
W omówionych wyżej przypadkach wymiana powietrza w przestrzeni fasady była dokonywana grawitacyjnie, przez czerpnie i wyrzutnie, bez dodatkowego wspomagania. Trudno jednak nie odnieść się również do tych systemów elewacyjnych, w których wymiana powietrza jest wymuszona przez systemy wentylacji mechanicznej. To, co prawda, prowadzi do całkowitego uszczelnienia budynku, ale obrazuje obecnie trend zyskujący na popularności. Bardzo dobrym przykładem takiego budynku jest siedziba międzynarodowego koncernu Japan Tabacco w Genewie (arch. SOM).
Skomplikowana fasada, której geometria oparta jest na trójkątnej siatce, stanowi szczelną warstwową konstrukcję, mechaniczne wentylowaną (ang. closed cavity facade), zaprojektowaną przez biuro projektów Josef Gartner GmbH. Powolny przepływ suchego powietrza przez pustkę fasady służy głównie temu, aby uniknąć kondensacji pary wodnej na taflach szkła. Wprawdzie ten system uniemożliwia wentylację pomieszczeń wewnętrznych powietrzem z zewnątrz, ale coraz powszechniej się uważa, że fasady tego typu to przyszłość fasad podwójnych.
W tekście z lutego 2021 r. Derick Koprek wymienia kilka istotnych zalet tych nowoczesnych systemów, do których należą: „doskonałe parametry izolacyjności termicznej (U = 0,145 W/[m2K]), obniżone koszty konserwacji, ponieważ żaluzje są umieszczone w środowisku wolnym od kurzu oraz doskonałe właściwości akustyczne” (Koprek D., Closed Cavity Facades: The Future of Curtain Walls, 2021, https://gbdmagazine.com/closed-cavity-facades/).
Systemy wentylacji pomieszczeń przez fasadę są coraz bardziej skomplikowane. Od prostych okien przez specjalnie projektowane klapy wentylacyjne do złożonych systemów grawitacyjnie wentylowanych fasad podwójnych, które funkcjonują w wielu sezonowych trybach. Systemy grawitacyjnej wymiany powietrza nadal będą powszechnie stosowane, równolegle ze znacznie bardziej zaawansowanymi systemami wymiany mechanicznej.
Widoczny jest trend do uszczelniania budynków w odpowiedzi na ograniczenie ich energochłonności w standardach pasywnych i nawet zeroenergetycznych. Wyraźne jest to, że stosunek projektantów i inwestorów do grawitacyjnej wentylacji przez fasadę zmieniał się na przestrzeni ostatnich 70 lat jak sinusoida. Obecnie niewątpliwie znajdujemy się w fazie „uszczelnienia”, czas pokaże, czy obecne założenia będą weryfikowane i w jaki sposób to będzie następować.
Fasady wentylowane. Zdjęcia
