Trendy w projektowaniu fasad. Nowoczesne technologie w budownictwie
Przewidując trendy w każdej branży, warto spojrzeć szerzej i zastanowić się, jak wpłynie na nią rozwój cywilizacyjny. Wiele problemów wynika z nadmiernej konsumpcji, co zaczyna dostrzegać społeczeństwo. Coraz częściej słuchamy ekologów, segregujemy odpady i ograniczamy produkty szkodliwe dla środowiska. Zmiany są powolne, ale już widoczne, także w branży budowlanej i fasad.
Spis treści
- Teoria LCA — ocena cyklu życia, czyli podejście cyrkularne
- Fasady a LCA – wyzwania współczesnych rozwiązań elewacyjnych
- Nowoczesne technologie w budownictwie
- Termoizolacje – czy coś może je zastąpić?
- Materiały zmiennofazowe PCM
- Materiały nowej generacji
Pierwsze wynikające z kryteriów środowiskowych zmiany w projektowaniu fasad spowodowały konieczność lepszego kontrolowania strat energii, w tym przede wszystkim poprawy ich termoizolacyjności oraz ochrony przed przegrzewaniem powierzchni przeszklonych. Rozwinęły się zatem technologie izolowania termicznego ścian pełnych i przeszkleń oraz selektywnego blokowania promieniowania cieplnego przez szkło, a także systemy różnego rodzaju osłon przeciwsłonecznych. Jednak to wciąż za mało, by sprostać wyzwaniu ograniczenia śladu ekologicznego budynków
Teoria LCA — ocena cyklu życia, czyli podejście cyrkularne
Ocena skutków środowiskowych istnienia konkretnego wyrobu (na przykład budowlanego) lub użytkowanego obiektu (na przykład budynku) wymaga rozważenia wszystkich etapów jego istnienia, od wydobycia surowców potrzebnych do jego wytworzenia, przez złożony proces użytkowania, aż do etapu jego całkowitej utylizacji. Prekursorem teorii LCA (z ang. Life Cycle Assessment) był Harold Smith, który sformułował ją w latach 60. na potrzeby produktów chemicznych. Założeniem zgodnym z paradygmatem zrównoważonego rozwoju i wynikającym z katastrofalnego bilansu zanieczyszczeń i odpadów zalegających w różnych formach we wszystkich częściach świata jest dążenie do całkowitego zamykania obiegu wszelkich surowców i energii w układzie cyrkularnym na wzór obiegu materii w świecie przyrody.
Każdy zatem produkt wytworzony przez człowieka powinien być przystosowany do ponownego powrotu do obiegu jako surowiec dla kolejnego produktu. Przy tym ślad ekologiczny takiego obiegu, a więc bilans LCA, powinien być racjonalnie niski, a straty zminimalizowane. O ile pod koniec XX wieku najsilniejszy nacisk w nurtach środowiskowych kładziono na kwestie energii, o tyle współcześnie stała się ona – podobnie jak elementy materialne – elementem gospodarki cyrkularnej. Właśnie ten sposób myślenia będzie bardzo mocno wpływał na rozwój fasad w przyszłości.
Fasady a LCA – wyzwania współczesnych rozwiązań elewacyjnych
Jako element złożony, odpowiedzialny za wiele funkcji użytkowych, w tym także za stronę wizualną budynku, fasada łączy zazwyczaj wiele materiałów, technologii i systemów. Z jednej strony stawiamy coraz wyższe wymagania w zakresie jej wpływu na kształtowanie środowiska wnętrza – zgodnie z podejściem bioklimatycznym powinna możliwie najpełniej wykorzystywać czynniki mikroklimatu panującego w otoczeniu, współtworząc we wnętrzu środowisko przyjazne człowiekowi. Powinna być zdolna do reagowania na zmiany warunków zewnętrznych i zmiany potrzeb użytkowników.
Z drugiej strony kryterium redukowania śladu środowiskowego wyrobów budowlanych skłania do upraszczania technologii, redukowania elementów wymagających energochłonnego przetwarzania, wyspecjalizowanej konserwacji, napraw oraz kosztownej (ekologicznie i ekonomiczne) utylizacji w przyszłości. W tym aspekcie nie można korzystnie ocenić m.in. systemów szklenia z powłokami selektywnymi czy low-e, gdyż są one rodzajem kompozytu złożonego z wielu trwale zespolonych ze sobą warstw; podobnie inteligentne, sterowane komputerowo systemy przeciwsłoneczne chroniące duże powierzchnie przeszkleń.
Mimo że przynoszą korzyści użytkowe i energetyczne w bilansie pierwszej fazy użytkowania, ich ogólny bilans LCA jest niekorzystny. Nie można jednak upraszczać podejścia związanego z oceną LCA i stosować ich do każdego z elementów budynku z osobna. Może się bowiem okazać, że przy racjonalnym doborze elementów gorszy bilans LCA jednego z nich jest wart korzyści użytkowych, które daje. Metody oceny LCA w odniesieniu do budynków, a tym bardziej do układów zabudowy, nie są jeszcze na tyle rozwinięte, by dostarczały jednoznacznych odpowiedzi na nurtujące pytania.
Zasób informacji na temat śladu ekologicznego poszczególnych materiałów i wyrobów jest wciąż zbyt ubogi, by możliwe było dokonanie wiarygodnych obliczeń. Poza tym część bilansu LCA wymaga uwzględnienia przewidywań i prognoz, które mogą się nie sprawdzić. Dotyczy to sposobu użytkowania budynku przez wiele lat, zakresu jego modernizacji, a ostatecznie rozbiórki i utylizacji. Dążenie do modeli cyrkularnych jest jednak coraz wyraźniej zarysowanym kierunkiem we współczesnej architekturze i zaczyna być widoczne także w rozwiązaniach elewacyjnych.
Nowoczesne technologie w budownictwie
Obserwując zmiany zachodzące w ciągu ostatnich kilkunastu lat, można zauważyć gwałtowny wzrost zastosowania drewna w budownictwie. Nie tylko wraca zainteresowanie technologiami znanymi, sprawdzającymi się dobrze w obiektach drobnej skali, ale także nowymi, które pozwalają rozszerzyć możliwości zastosowania drewna także w budynkach o znacznej kubaturze, wysokości i funkcjach innych niż mieszkalne.
Przełomem okazała się technologia CLT (z ang. cross laminated timber), umożliwiająca budowanie ścian i stropów z litych prefabrykowanych elementów z drewna klejonego warstwowo. Walory ekologiczne tej technologii (bazuje na materiale odnawialnym, proces przetwarzania nie jest rozbudowany, zminimalizowane są straty, możliwy jest recykling) uzupełniają te ekonomiczne, związane z uproszczeniem i skróceniem procesu budowy oraz mniejszą grubością ścian zewnętrznych w stosunku do innych technologii.
Kraje skandynawskie, Niemcy, Francja, Japonia świadomie postawiły na budownictwo drewniane, prowadząc w tym kierunku zarówno politykę, badania naukowe, jak i działania ekonomiczne. W Polsce zmiany te zauważamy dopiero w ciągu ostatnich lat, głównie w formie rosnącego zainteresowania inwestorów tym właśnie materiałem. Ten trend będzie się z pewnością rozwijał, choć można mieć obawy, czy w ostatecznym rozrachunku chęć szybkiego zysku i brak rzetelnej kontroli nad gospodarką leśną nie doprowadzą do nadmiernego uszczuplenia zasobów do poziomu, w którym nie będzie możliwe zachowanie równowagi. Może się zatem zdarzyć, że budowanie z drewna stanie się nieekologiczne.
Choć drewno cieszy się największym zainteresowaniem wśród naturalnych materiałów elewacyjnych, to do tej grupy należą także inne, znajdujące coraz więcej zastosowań. Obiecującym materiałem jest słoma – dzięki bardzo dobrym właściwościom termoizolacyjnym. Poza sposobami tradycyjnego użycia w formie bloczków lub wypełnienia ściany szkieletowej w budynkach drobnej skali opracowywane są nowe rozwiązania, przeznaczone do znacznie większych budynków o dowolnych funkcjach. Na rynku pojawiło się kilka systemów, w których słoma wykorzystana została jako wypełnienie prefabrykowanych płyt elewacyjnych.
Rozwijają się także technologie różnego rodzaju kompozytów na bazie ziemi, cementu i dodatków roślinnych. Należy do nich na przykład technologia betonu konopnego (hempcrete), która – jak wykazał w swoich badaniach Michał Gołębiewski z Politechniki Warszawskiej – jest w stanie spełnić obowiązuje w Polsce wymagania cieplne i wilgotnościowe jako przegroda zewnętrzna oraz ma wielki potencjał do zastosowania w polskim budownictwie jednorodzinnym. Bilans LCA tej technologii jest znacznie korzystniejszy niż innych z obecnie przeważających.
Innym aspektem środowiskowym, którego waga coraz bardziej wzrasta w wartościowaniu poszczególnych technologii, jest podatność danego wyrobu na ponowne użycie i recykling. Budowanie za pomocą materiałów z odzysku staje się coraz silniejszym nurtem. Zaczynamy inaczej postrzegać walące się stodoły i opuszczone hale fabryczne. Stają się one zasobem na przykład desek czy stalowych profili, które można wykorzystać ponownie, budując jednocześnie ciągłość kulturową danego miejsca, które, choć przekształca się, zachowuje pierwiastek tego, co było tam wcześniej.
Ten aspekt, nie brany dotąd pod uwagę przy tworzeniu nowych rozwiązań technologicznych, stanie się prędzej czy później kwestią do rozważenia dla producentów systemów elewacyjnych. Łatwość rozdzielania fasady na części po okresie jej użytkowania oraz świadome planowanie technologii tak, by trwałe elementy dało się odzyskać, a te mniej trwałe poddać recyklingowi, jest jej dużym atutem środowiskowym.
Termoizolacje – czy coś może je zastąpić?
Izolowanie termiczne zewnętrznych przegród jest jak dotąd najważniejszym elementem strategii oszczędnego gospodarowania energią w budynkach. Parametr U, w polskich przepisach dotyczący ścian i dachów, zapisał się w mentalności osób jako tako zorientowanych w budownictwie jako miernik energooszczędności budynków. Izolacje termiczne wykonywane w obiektach istniejących i nowych rzeczywiście przynoszą efekty w zakresie ochrony przed ucieczką ciepła na zewnątrz, nie są jednak wolne od wad. Najczęściej stosowany w tym celu styropian to materiał o znacznym śladzie środowiskowym. Jego bardziej ekologiczne odpowiedniki, takie jak ekofiber na bazie celulozy (także z recyklingu) czy wełna drzewna, poprawiają ten bilans.
Wciąż są mniej popularne, jako droższe, mniej sprawdzone użytkowo i nie tak łatwe w zastosowaniu jak styropian, jednak zainteresowanie nimi stopniowo się zwiększa i można się spodziewać, że będzie nadal rosło, a z czasem gama wariantów tych produktów się powiększy i udoskonali. Tym bardziej że mają one niższą niż styropian szczelność dla przepływu wilgoci i powodują mniej związanych z tym zagrożeń. Nadal jednak pozostaje kwestia bazowania wyłącznie na parametrze termoizolacyjności w dążeniu do energooszczędności przegród, co wydaje się ograniczone.
Warunki klimatu, w jakim leży Polska, utrudniają budowanie ścian spełniających wymagane kryteria termoizolacyjności jako jednowarstwowych. Ich minimalna grubość – niezależnie od tego, czy jest to wariant jedno- czy dwuwarstwowy (z ociepleniem od zewnątrz) – nie jest mniejsza niż 40–50 cm (w zależności od technologii) i pomimo starań, by poprawiać parametry komponentów termoizolacyjnych, nie udaje się obniżyć tej wartości.
Konieczne byłoby zastosowanie materiałów nowej generacji, takich jak aerożele, izolacje transparentne, próżniowe czy refleksyjne. Tu jednak pojawiają się kwestie ceny, która znacznie przewyższa dotychczasowe rozwiązania, oraz ich bilansu LCA, który trudno jednoznacznie określić. Są to materiały zaawansowane technologicznie, o znacznej wartości energii wbudowanej i problematyczne w aspekcie utylizacji, choć być może zdatne do wielokrotnego użycia.
Materiały zmiennofazowe PCM
W tym aspekcie interesującą alternatywą dla tradycyjnych termoizolacji mogą się okazać materiały zmiennofazowe PCM (z ang. phase change materials). Absorbują ciepło i magazynują je bez wzrostu temperatury na powierzchni. Odbywa się to dzięki substancji o właściwościach analogicznych do gliceryny, która zamknięta jest w niewielkich kapsułkach. Wzrost temperatury powoduje zmianę jej stanu skupienia ze stałego na ciekły, co zatrzymuje nadmiar ciepła. Jest ono uwalniane, gdy temperatura spadnie i substancja wraca do stałego stanu skupienia. Proces jest odwracalny i można go wielokrotnie powtarzać.
Materiał PCM zamknięty w mikrokapsułkach może być zespalany ze strukturą materiałów budowlanych, na przykład tynków, płyt wykończeniowych, lub można go umieszczać w przestrzeniach sufitów podwieszonych i podniesionych podłóg. Zastosowany od wewnątrz pozwala na zmagazynowanie nadwyżki ciepła wytworzonego w pomieszczeniach (na przykład od ludzi i urządzeń) i oddanie go, gdy temperatura spadnie. Umieszczenie od zewnątrz umożliwia wykorzystanie cieplnej energii słonecznej przez zmagazynowanie jej i dogrzanie pomieszczeń przy niższych temperaturach dzięki właściwości akumulacyjnej ściany.
PCM, dzięki dynamicznemu mechanizmowi działania, łączy w sobie kilka funkcji i lepiej niż tradycyjne izolacje „współpracuje” z pozostałymi elementami budynku oraz czynnikami środowiska po obu stronach przegrody. Poza tym nie powoduje znacznego zwiększenia grubości ścian.
Choć informacje o materiałach PCM pojawiają się od końca XX wieku i istnieje już spora gama wyrobów budowlanych powstałych na ich bazie, nadal ich zastosowanie nie jest szeroko rozpowszechnione. Być może sytuacja ta zmieniłaby się na korzyść, gdyby w sposób bardziej otwarty dla nowych rozwiązań rozstrzygnąć kwestie wymagań prawnych regulujących parametry ścian zewnętrznych.
Materiały nowej generacji
Opieranie gospodarki materiałowej w budownictwie wyłącznie na prostych materiałach pochodzenia naturalnego nie jest możliwe. Mogą się one wyczerpać, poza tym nie jest możliwe spełnienie wszystkich, coraz bardziej złożonych kryteriów wyłącznie za ich pomocą, czego przykładem jest chociażby kwestia wspomnianej termoizolacyjności. Jedną z ciekawszych grup materiałów są materiały smart, nazywane w literaturze popularnej (niezupełnie prawidłowo) materiałami inteligentnymi.
Charakteryzują się one zdolnością do reagowania na zmiany w otoczeniu. Zmiana jest natychmiastowa i przewidywalna, a wywołuje ją określony impuls, na przykład termiczny, chemiczny, mechaniczny czy elektryczny. Zmiany mogą mieć dwojaki charakter – na przykład mogą dotyczyć koloru, przepuszczalności światła, kształtu, lepkości – przy czym zachodzą wewnątrz struktury materiału. Mogą one także polegać na konwersji energii wejściowej podanej jako impuls na inny rodzaj energii. Efekt ten, w przeciwieństwie do pierwszego, nie dotyczy struktury wewnętrznej materiału, ale ma charakter zewnętrzny. Rodzaj impulsu i wywołany nim efekt są podstawą systematyki materiałów smart. Tradycyjna systematyka – oparta na rodzaju substancji, z których powstaje materiał, oraz jego przeznaczeniu – nie ma w ich przypadku zastosowania. Najważniejszą kwestią jest to, jak dany materiał „działa”.
Paleta tych materiałów jest bogata, ale zakres ich zastosowania w budownictwie wciąż dość ograniczony. Do najszerzej stosowanej grupy materiałów smart należą:
- ogniwa fotowoltaiczne, które konwertują energię świetlną na energią elektryczną i diody LED o odwrotnej zasadzie działania
- szkła typu switchable – zmieniające kolor lub zakres przezroczystości pod wpływem czynnika z zewnątrz (na przykład wzrostu temperatury lub impulsu elektrycznego)
- fluoroscencyjne lub fosforyzujące farby - emitują światło, wykorzystując energię słoneczną,
- powłoki fotokatalityczne, które powodują usuwanie zanieczyszczeń, z powierzchni oraz z powietrza w jej otoczeniu, wskutek reakcji wywołanej promieniowaniem świetlnym (naturalnym lub sztucznym)
- materiały samonaprawiające, wypełniające pęknięcia i rysy w innych materiałach (na przykład betonie).
- w zakresie eksperymentalnym testowane jest zastosowanie termobimetali, zdolnych do zmiany kształtu pod wpływem różnicy temperatury jako osłon przeciwsłonecznych chroniących przeszklenia przed nadmiarem energii cieplnej.
Potencjał tego rodzaju materiałów dla fasad przyszłości wydaje się ogromny. Są to materiały cienkowarstwowe, produkowane często w formie powłok, które można nanosić na inny materiał.
Koncepcję wykorzystania wielu powłok typu smart jako nadruku na polimerową płaszczyznę elewacyjną wykorzystała na przykład firma Kieran Timberlake Associates, w produkcie SmartWrap pokazanym w Nowym Jorku w demonstracyjnym obiekcie mieszkalnym Cellophane House. Dwie cienkie powłoki polimerowe tworzące ścianę zewnętrzną są zdolne do zmiany przezroczystości, generowania energii elektrycznej dzięki nadrukom PV oraz emisji światła dzięki diodom LED, zawierają także warstwę materiału PCM odpowiedzialną za przepływ ciepła między wnętrzem a otoczeniem.
Jest to przykład zupełnie innego myślenia o elewacji niż to znane dotychczas. Tworzy ono obraz nowej generacji fasad jako elementów cienkowarstwowych i lekkich, zdolnych do dynamicznych zmian, umożliwiających sterowanie przepływem energii w celu jej racjonalnego wykorzystania. Są one bardzo złożone w swojej strukturze materiałowej, ale proste jako komponent budowlany. Nakreślony tu obraz rozwijających się trendów dotyczących fasad pokazuje dwutorowość w podejściu do zaawansowanych technologii. Z jednej strony widoczny jest zwrot ku prostym, naturalnym materiałom (choć w innym już niż tradycyjne ujęciu), z drugiej – poszukiwanie innowacyjnych, przełomowych rozwiązań tworzących nową generację fasad.
Oba nurty są uzasadnione i możliwe jest ich twórcze łączenie. Konieczne jest jednak konsekwentne podejście w stosowaniu rozwiązań zaawansowanych technologicznie dyktowane zasadą umiaru i krytycznego podejścia do rzeczywistych potrzeb użytkowników. Dotychczasowa postawa nastawiona na poszukiwanie oryginalności, wyjątkowych efektów wizualnych lub prosto pojętej wygody użytkownika (zamiast jego rzeczywistego komfortu psychofizycznego) powinna ulec zmianie na rzecz racjonalnej kalkulacji zysków i strat, jakie niesie wybór konkretnych rozwiązań.
Murowane starcie - posłuchaj naszych podcastów!
