Idea budownictwa plusenergetycznego
Plusenergia to termin oznaczający tak ekstremalną wydajność energetyczną struktury, że jej bilans energetyczny jest dodatni, co oznacza, że produkuje ona więcej energii, niż jej zużywa. Dla osiągnięcia dodatniego bilansu plusenergia wykorzystuje różnorodne technologie, tak by zarówno zminimalizować zużycie energii, jak i zmaksymalizować wytwarzanie energii odnawialnej. Dla przykładu potężne powierzchnie okienne wychodzące na północ i południe pozwalają na maksymalną penetrację światła słonecznego do wnętrza struktury, co eliminuje potrzebę wykorzystywania energii żarówek w ciągu dnia, a jednocześnie zatrzymuje duże ilości ciepła. Trzyszybowe okna o współczynniku przenikania U wynoszącym 0,7 W • m−2 • K−1 zatrzymują ciepło wewnątrz, powodując, że więcej go do wnętrza wnika, niż ucieka. Gdy dodamy do tego wysoce skuteczną izolację, otrzymujemy strukturę, która wieczorem jest silnie nagrzana, a zatem potrzebuje mniej ogrzewania. Zawsze należy pamiętać o starannym wyborze zarówno miejsca budowy, jak i ustawienia budynku. Istotną różnicą między budownictwem pasywnym a standardami plusenergetycznym jest fakt, że plus energia pozwala użytkownikowi mieszkać i pracować całkowicie komfortowo przy normalnej produkcji energii i bez poświęcania swojego stylu życia. Co więcej, w odróżnieniu od budynków pasywnych, konstrukcje plusenergetyczne nie wydzielają do atmosfery dwutlenku węgla. Twórcą terminu „plusenergia” jest Rolf Disch, urodzony w 1944 roku niemiecki architekt uznawany za pioniera na polu zastosowania energii słonecznej, który w ogromnym stopniu przyczynił się do rozwoju i zwiększenia sprawności architektury solarnej. W 1969 roku założył on firmę Rolf Disch Solar Architecture, a dzięki jego działalności Niemcy zyskały status prekursora w zakresie solarnego budownictwa mieszkaniowego i komercyjnego. Jako zapalony działacz na rzecz ochrony środowiska od zawsze uważał energię jądrową za destrukcyjną, twierdząc równocześnie, że to czysta energia odnawialna powinna być wykorzystywana dla zdrowego i zrównoważonego rozwoju gospodarczego świata. Disch przygodę z konstrukcjami plusenergetycznymi zaczął w drugiej połowie lat 80., budując samochody i jednostki pływające napędzane energią słoneczną. Następnym oczywistym krokiem był pomysł na plus energetyczny dom, dla niego od początku całkowicie zgodny z logiką. Gdy w 1994 roku ukończył budowę Heliotropa, jednocześnie stworzył pierwszy plusenergetyczny budynek na świecie.
Heliotrop
Zbudowany w 1994 roku we Freiburgu jako prywatna rezydencja Rolfa Discha, Heliotrop jest projektem jedynym w swoim rodzaju – pierwszym na świecie budynkiem, który wytwarza więcej energii, niż zużywa (a i ta zużywana jest w całości odnawialna), który nie emituje do atmosfery żadnych związków, a zwłaszcza dwutlenku węgla. Struktura obraca się, podążając za słońcem, co pozwala wykorzystać do maksimum naturalne światło i ciepło słoneczne. W budynku zastosowano kilka różnych modułów generujących energię, włączając w to umieszczony na dachu dwuosiowy fotowoltaiczny panel o powierzchni 56 m2 i mocy znamionowej 6,6 kW, z wbudowaną funkcją autośledzenia, pompy ciepła, jednostkę kogenerującą ciepło i energię elektryczną oraz solarno-termalne balustrady balkonowe. Panel, oprócz tego, że obraca się niezależnie od budynku, jest też w stanie zmienić swoją orientację na bezpieczniejszą w przypadku silnych wiatrów. Te innowacje, w połączeniu z najwyższej klasy izolacją, pozwalają Heliotropowi produkować nawet sześć razy więcej energii, niż wynosi jej zużycie, zależnie od pory roku. Heliotrop jest również wyposażony w system oczyszczania szarej wody (jest to nieprzemysłowa woda ściekowa wytwarzana w czasie domowych procesów, takich jak mycie naczyń, kąpiel czy pranie) oraz wbudowany kompostownik odpadów naturalnych. Dom został zaprojektowany tak, że ustawia się przodem do słońca podczas miesięcy grzewczych i odwraca do słońca swoją mocno zaizolowaną elewację tylną podczas miesięcy cieplejszych, gdy ogrzewanie nie jest potrzebne. To w znaczący sposób redukuje wymagania ogrzewania i chłodzenia dla budynku w ciągu roku. Gdy koncept rozwijał się dalej, zyskując także wsparcie finansowe z zewnątrz, Disch zrealizował kilka kolejnych projektów z plusenergetycznym certyfikatem. Po sukcesie freiburskiego Heliotropa Rolf Disch Solar Architecture podpisali z firmą Hansgrohe umowę na projekt i budowę kolejnego, tym razem w Offenburgu. Miał on stać się centrum ekspozycyjnym przeznaczonym dla zwiedzających. Trzeci Heliotrop został zamówiony na potrzeby laboratorium technologii stomatologicznej w Hilpoltstein w Bawarii. Następnym celem Rolfa Discha było masowe zastosowanie tego pomysłu w powierzchniach mieszkaniowych i komercyjnych. Kontynuując pomysł rozbudowy idei oryginalnego Heliotropa,
Rolf Disch Solar Architecture przygotowało plany większych wersji projektu, które miały być wybudowane jako obrotowe hotele zapewniające każdemu gościowi spektakularny widok, budynki administracyjne, handlowe, a także pawilony ekspozycyjne, na czele z przygotowanym przez Niemcy na EXPO 2010 w Szanghaju. Plusenergia okazała się być prostym konceptem, który udało się zmaterializować w postaci projektu technicznego, a jednocześnie fundamentalnym ekologicznym imperatywem, jak czasami mawia o niej Disch, integracją architektury z ekologią, czymś więcej niż tylko nowym standardem energetycznym.
Masdar headquarters
Tylko kwestią czasu było pojawienie się pierwszych budynków plusenergetycznych na Bliskim Wschodzie, a znając specyfikę tamtejszych inwestorów należało się raczej spodziewać od razu całych miast. Nie musieliśmy czekać zbyt długo. Masdar City – 22-miliardowy budowany na pustyni ok. 17 km od stolicy Zjednoczonych Emiratów Arabskich, Abu Zabi, z inicjatywy jej emira, projekt firmy Abu Dhabi Future Energy Company, ma być pierwszym na świecie miastem zeroodpadowym i o zerowej emisji dwutlenku węgla. By osiągnąć swoje ambitne cele zrównoważonego rozwoju, plan ogólny dla Masdar City integruje wiele strategii związanych z produkcją energii odnawialnej i z projektowaniem pasywnym. Projekt i makieta miasta zostały po raz pierwszy pokazane dziennikarzom i opinii publicznej 21 stycznia 2008 na Światowym Szczycie Energii Przyszłości w Abu Zabi. Budowa rozpoczęła się w roku 2006, a termin jej zakończenia przewidziano na rok 2016. Cel zaistnienia całości może być podsumowany następująco: redukcja zużycia energii i produkcji odpadów w każdym budynku do takiego poziomu, aby można je było obsłużyć przez miejskie systemy czystej energii odnawialnej oraz zakłady przetwarzające odpady na energię, przez co udowodniona zostałaby teoria, że możliwe jest stworzenie i funkcjonowanie miasta bezodpadowego i nieemitującego CO2, czyli całkowicie zasilanego energią słoneczną, wiatrową, wodną, biopaliwową itd. Po ukończeniu projektu położone na powierzchni 6 km² miasto ma stać się domem dla 50 000 mieszkańców oraz miejscem pracy dla 40 000 osób dojeżdżających. W samym centrum Masdar City usytuowany jest jego pierwszy i najważniejszy budynek – Masdar Headquarters (czyli Centrala, w skrócie Masdar HQ), który stanie się nową siedzibą Future Energy Company, jak również sekretariatem Międzynarodowej Agencji Energii Odnawialnej (Renewable Energy Agency IRENA). Masdar Headquarters, będący częścią pierwszej fazy budowy miasta, ma za zadanie stanowić wzorzec dla dalszego ciągu przedsięwzięcia, być zarówno kotwicą, jak i katalizatorem dla rozwoju całego miasta. By mógł on stać się takim wzorcem, w 2008 roku rozpisano międzynarodowy konkurs, będący dla architektów wyzwaniem do wspięcia się na najwyższy osiągalny pułap. Napłynęło 150 projektów, spośród których 15 przeszło selekcję wstępną. Kryteria obejmowały funkcjonalność budynku, jego sprawność wodnokanalizacyjną, jakość środowiska wewnętrznego, zerową emisję dwutlenku węgla, redukcję śladu węglowego (jest to suma emisji gazów cieplarnianych wywołanych przez osobę, organizację, wydarzenie lub produkt; rodzaj śladu ekologicznego) oraz doświadczenie firmy. Jury złożone ze światowej sławy ekspertów w dziedzinie projektowania zrównoważonego wybrało 4 prace, wśród których ostatecznie zwyciężyło biuro architektoniczne Adrian Smith + Gordon Gill. Zwycięski projekt to 7-kondygnacyjny budynek o powierzchni 135.000 m2 ( włączając w to elementy zielonego krajobrazu), w którym znajdziemy powierzchnie mieszkaniowe, handlowe, ogrody publiczne, salę modlitw i bezpośredni dostęp do miejskiego system transportowego. Projekt ma stać się pierwszym w świecie budynkiem plus energetycznym o mieszanym przeznaczeniu. Wiele strategii zrównoważonego projektowania zaimplementowano i zintegrowano tak, by mógł powstać budynek, który osiągnie najniższy impakt na środowisko w kategoriach energii, wody i odpadów, przy zachowaniu komfortu użytkowania. Budynek zaprojektowano tak, by miał rekordowo niską dla swojej klasy i gorącego, wilgotnego klimatu otoczenia, intensywność energii, produkując jej więcej, niż zużywa, i nie wytwarzał stałych ani ciekłych odpadów, a zużycie wody było w nim zredukowane o 70%. Projekt Masdar HQ opiera się o udaną i sprawdzoną formułę łączenia strategii projektowania pasywnego z systemami aktywnymi i użyciem energii odnawialnej dla osiągnięcia oszczędności energii, a forma budynku jest ich pochodną. Jedną z głównych strategii decydujących o formie jest sposób rozwiązania wentylacji wywodzący się od tradycyjnych elementów wentylacyjnych tamtejszej religii. Przed odkryciem ropy naftowej w rejonie zatoki warunki klimatyczne narzuciły taki rozwój tradycyjnej architektury, który wymuszał ruch powietrza dla poprawienia komfortu przebywania w obiektach religijnych. Jednym z najważniejszych elementów wentylacyjnych używanych w tej reagującej na warunki środowiska architekturze jest wieża wiatrowa.
Projekt Masdar HQ jest zdominowany przez 11 stożkowych konstrukcji, nazywanych również stożkami wiatrowymi, będących adaptacją tradycyjnych wież wiatrowych. Po raz kolejny stwierdzono, że gdy przychodzi do ogrzewania lub chłodzenia budynków, a nawet całych miast, stare rozwiązania są zawsze pod ręką i zazwyczaj są one znacznie tańsze niż energochłonne rozwiązania alternatywne, takie jak klimatyzacja. Wieża znacznie przewyższa wierzchołki dachów sąsiednich budynków, a konstrukcyjnie jest jedynie pustym cylindrem o zoptymalizowanym kształcie, z regulowanymi żaluzjami u wierzchołka. Jej zadanie jest proste: wysoki cylinder jest zdolny do wywołania prądu konwekcyjnego, gdyż gorące powietrze będzie unosiło się do góry. Powoduje to naturalny prąd powietrza płynący z poziomu ulic do góry i na zewnątrz wieży – gorące powietrze wyciągane jest z miasta i czyni życie na placach poniżej wież przyjemniejszym. Działanie tego prostego a genialnego pomysłu jest dwukierunkowe.
Poprzez odpowiednie dopasowanie żaluzji można „odwrócić” wieżę, tak by działała jak otwór wlotowy, wyłapywała wiatry dominujące i „ściągała” w dół napływające powietrze, chłodząc strukturę budynku i wysyłając je kaskadami na wewnętrzny dziedziniec u jej podstawy, gdzie tworzy się bryza obniżająca odczuwalną temperaturę aż o 5 °C. Działa to wyjątkowo dobrze dzięki niewielkiej szerokości ulic w Masdar City, zaprojektowanych tak w celu zminimalizowania padającego na nie bezpośredniego światła słonecznego. Ich zwartość oznacza także, że bryza może być “ścieśniona”, a tym samym szybsza i bardziej efektywna. Innowacyjnym pomysłem na zredukowanie nagrzewania się struktury budynku od ciepła słonecznego było zacienienie całej bryły rodzajem baldachimu. Przy powierzchni ponad 28.000 m2, o brzegach znacznie wystających poza obrys budynku, baldachim dominuje nad jego dachem i jest strukturalnie zintegrowany z podpierającymi go stożkami. Tym samym tworzy superstrukturę, wokół której usytuowane są przestrzenie i funkcje budynku. Pod baldachimem, na poziomie dachu, znajduje się ocieniony ogród, a w nim rodzima roślinność i akcenty wodne. Oprócz funkcji zacieniania dachowy baldachim ma wbudowane jedno z największych na świecie zestawów ogniw fotowoltaicznych produkujących równocześnie elektryczność i energię do układów chłodzących. Oprócz tych pasywnych strategii mających wpływ na formę budynku, wykorzystano w nim również inne rozwiązania, znacznie mniej oczywiste dla przypadkowego obserwatora, takie jak użycie wysokotermicznej okładziny zewnętrznej dla zredukowania zysków ciepła przy zachowaniu przezroczystości pozwalającej z wnętrza podziwiać widoki. Pod budynkiem zastosowano kanały ziemne dla obniżenia jego temperatury przez kontakt z mającą niemal stałą temperaturę ziemią. Odgrywają one rolę także jako podziemny pasaż pieszy łączący budynek z planowanym bezszynowym systemem masowego transportu, nazwanym Szybkim Transportem Osobistym. Wyobraźmy sobie pozbawiony kierowcy czteroosobowy pojazd, który wzywamy przyciśnięciem guzika na panelu. Po magnetycznie sterowanej trasie zawiezie on nas do dowolnie wybranego celu w obrębie całego miasta. Każdy pojazd jest napędzany indywidualnie za pomocą baterii litowo- fosforanowej ładowanej za każdym razem, gdy stoi on na stacji. Na początku roku system miał zaledwie 800 m długości i łączył narazie tylko 2 stacje położone w odległości 5-minutowego spaceru, ale jest to dopiero początek pierwszej fazy jego budowy. Wspomagany przez przyszłe metro system pozwoli uczynić miasto niemal całkowicie wolnym od samochodów. Oprócz rozwiązań pasywnych, projekt przewidział także zastosowanie wielu wysokowydajnych systemów aktywnych użytych do chłodzenia i wentylacji budynku, włączając w to efektywny system podpodłogowej dystrybucji powietrza, rozprowadzający je wprost do mebli biurowych, a także największy na świecie system chłodzący i odwilżający znajdujący się na baldachimie. Niedobór wody na Środkowym Wschodzie czyni jej oszczędzanie równie ważnym, jak oszczędzanie energii. W Masdar HQ, dzięki zastosowanym rozwiązaniom, oszczędza się jej o 70% więcej niż w typowym budynku o mieszanej funkcji i podobnym rozmiarze. Taka redukcja w znaczącym stopniu zmniejsza zapotrzebowanie całego Masdar City na energię, jako że w Zjednoczonych Emiratach Arabskich większość pitnej wody pochodzi z odsalania wody morskiej z Zatoki Perskiej, który to proces jest niezwykle energochłonny. Deszczówka i woda pochodząca z kondensacji są zbierane, przechowywane i wykorzystywane wraz z szarą wodą pozostałą po kąpieli, praniu i zmywaniu do irygacji ogrodu na dachu, a także do spłukiwania toalet. Czarna woda z toalet i kuchni jest poddawana przetworzeniu i używana jako biopaliwo w silnikach Diesla. Masdar HQ z założenia miał być budynkiem zrównoważonym, o wysokiej sprawności energetyczno- -wodnej, nie tylko w fazie użytkowania, ale także podczas budowy. Stąd też superstruktura stożków wiatrowych i nadwieszonego baldachimu powstały najwcześniej, żeby stworzyć poniżej chłodniejsze i zacienione środowisko, a zarazem umieszczone na nim od samego początku słoneczne panele fotowoltaiczne uczynić źródłem elektryczności dostarczającej energii w procesie budowy. Tym samym Masdar HQ stał się pierwszym w świecie budynkiem, o którym można powiedzieć, że w pewnym sensie wybudował sam siebie. Na Środkowym Wschodzie, ze względów klimatycznych i socjologiczno-ekonomicznych, rola projektowania pasywnego wydaje się być znacznie większa niż w Europie czy Ameryce Północnej. Przy większości procesów projektowania zrównoważonego nastawionych raczej na zablokowanie dostępu ciepła niż na jego wydajne wytwarzanie i bez wielkiej bazy przemysłowej, która wspomagałaby skomplikowane systemy mechaniczne i elektryczne, udział strategii pasywnych w całkowitej oszczędności energii w budownictwie ekologicznym jest większy niż analogiczny udział w Europie i USA. Szacuje się, że w Masdar HQ samo zastosowanie rozwiązań pasywnych odpowiada za 52% oszczędności energii. Pozostała ze 103% (włączamy także 3% energii pozytywnej) część jest osiągana dzięki wydajnym systemom aktywnym (20%) i wytwarzaniu energii odnawialnej (31%). Ponieważ Masdar City jest miastem całkowicie eksperymentalnym, Future Energy Company postanowiła nie szczędzić czasu i wysiłku, aby rozpracować społeczne korzyści, ale też kompromisy wiążące się z życiem w mieście o zerowej emisji dwutlenku węgla. Nadejdzie czas, że miasto pozna wszelkie aspekty swojego zużycia wody i energii. Dane zostaną wykorzystane, aby dowiedzieć się co funkcjonuje prawidłowo, a co nie, oraz żeby wprowadzić niezbędne poprawki. Niektóre z tych informacji będą ogłoszone publicznie, aby dać mieszkańcom świadomość tego, gdzie energia jest marnowana, a gdzie należy się im uznanie. I nie chodzi o to, żeby kogoś wyróżnić, bo pytanie, które raczej należałoby sobie postawić, brzmi: Czy jeśli mieszkańcy miasta któregoś dnia uświadomią sobie, jak wspaniałe dzieło wspólnie tworzą, spowoduje to zmianę ich zachowania już na stałe, czy też raczej zignorują znaki ostrzegawcze, jeśli takie się pojawią? Wzdłuż każdej z trzech nóg wieży wiatrowej biegnie w górę rząd diod elektroluminescencyjnych. Gdy miasto nie przekracza swojego dziennego limitu zużycia energii, świecą na zielono. Kolor czerwony będzie oznaczał, że limit został przekroczony. Gdy w którymś momencie ledy zaświecą na czerwono, czy ludzie rzucą się do wyłączników, żeby zgasić niepotrzebne światło? Czy pojawi się u nich rodzaj zbiorowej odpowiedzialności? Na razie miasto jest słabo zaludnione, a odpowiedź nieznana. Tak więc eksperyment wszech czasów wciąż czeka.