Fotowoltaika i architektura

Powoli oswajamy się z widokiem dachów z przypadkowo ułożonymi, często z przerwą na komin lub okno połaciowe, panelami fotowoltaicznymi. Od kiedy dostępne są programy dofinansowania fotowoltaiki, repertuar elementów szpecących dachy, takich jak kominy, rynny, instalacje odgromowe czy obróbki blacharskie poszerzony został o wzorzyste pola obramowanych aluminiowymi profilami modułów solarnych. Fotowoltaika i architektura – czy można je ze sobą pogodzić? Rozwiazaniem jest potraktowanie paneli fotowoltaicznych nie jako elementy dodawane do gotowych konstrukcji, lecz jako innowacyjny materiał budowlany o szczególnych właściwościach, którego zastosowanie uwzględnione zostaje już na samym początku projektowania obiektu. Zrobić to można na dwa sposoby: przez integrację z konstrukcją obiektu (BIPV, Building Integrated Photovoltaics) lub przez ich świadome wyeksponowanie.

Kiedy kilkanaście lat temu w swojej pracy doktorskiej pisałem o integracji fotowoltaiki, wydawało się, że BIPV wkrótce stanie się powszechnym rozwiązaniem, wypierając przypadkowy montaż ogniw na przegrodach budynków. Okazuje się jednak, że nadal jest ono wyjątkiem w budownictwie. Powodów jest kilka. Integracja paneli oznacza uwzględnienie ich we wczesnych fazach projektu. Dopóki nie ma na rynku modułów o indywidualnych wymiarach w przystępnej cenie, projektowanie obiektów z BIPV wymaga dostosowania rozwiązań projektowych do siatki wymiarów wybranych produktów, a później, na budowie, bardzo precyzyjnego wykonania. Problemem jest także ograniczony wybór na rynku paneli o zadowalającej estetyce, w idealnym przypadku: bezramowych, mocowanych niewidocznie, o jednolitej powierzchni, a jednocześnie trwałych.

W autorskim projekcie solarnego domu plusenergetycznego w Krakowie ciemne całoszybowe panele fotowoltaiczne są materiałem wykończeniowym południowej elewacji i połaci dachowej (fot. 3). Niewidoczne mocowanie ponad wodonośną warstwą konstrukcji pozwoliło na ukrycie elementów instalacyjnych, np. rur spustowych lub odpowietrzeń kanalizacji. Zastosowanie okien połaciowych licujących z powierzchnią ogniw wymagało dokładnej pracy na budowie, a wcześniej zwiększonych nakładów projektowych. Wykorzystane w projekcie ogniwa dostępne są tylko w jednym wymiarze. Aby w całości sięgały od krawędzi do krawędzi domu, konieczny był wybór konkretnego produktu i uwzględnienie siatki modułów praktycznie już na etapie koncepcji. Podobne rozwiązanie zastosowane zostało w projekcie willi w okolicach Łodzi (fot. 1). W obu tych przykładach integracja ogniw opierała się na tzw. konstrukcyjnej addycji: panele pod względem wizualnym stają się częścią przegrody zewnętrznej, ale jedynie w ograniczonym zakresie przejmują jej podstawowe funkcje.

Elewacje apartamentu zbudowanego na starym schronie przeciwatomowym (fot. 2) i budynku biurowego Stadtwerke w Osnabrück (fot. 4) są przykładem całkowitej integracji konstrukcyjnej. Panele fotowoltaiczne stanowią tu nie tylko warstwę wykończeniową, lecz pełnią także funkcję szczelnej osłony chroniącej przed wpływem warunków atmosferycznych. W tym ostatnim przykładzie zastosowano ogniwa barwne. Podobnie, jak w przypadku elewacji, panele mogą być również zintegrowane z konstrukcją dachu. Przykładem może być Muzeum Archeologiczne w Herne, gdzie elementy fotowoltaiczne stanowią tylko wykończenie zadaszenia (fot. 5), czy renowacja dachu historycznych koszarów w Osnabrück z 2003 roku, gdzie panele całkowicie przejmują funkcję zadaszenia (fot. 6). Aby uzyskać w pełni zintegrowaną powierzchnię, można zastosować również ogniwa zabudowane w szybach izolacyjnych. W przypadku takiego rozwiązania siatki naniesionych na powierzchnię nieprzezroczystych ogniw chronią dodatkowo przed nadmiarem promieni słonecznych i przegrzewaniem wnętrz. Rzucane przez nie geometryczne cienie mogą być jednak uciążliwe dla użytkowników.

Szyby fotowoltaiczne zastosowane zostały np. na dachu Akademii Mont-Cenis w Herne (fot. 7), czy w pawilonie kąpielowym na wyspie na jeziorze Steinhuder Meer w północnych Niemczech (fot. 8). Takie rozwiązanie nie tylko doświetla pomieszczenia, ale może dodatkowo chronić przed nadmierną insolacją. Półprzezroczyste moduły fotowoltaiczne stosuje się także w postaci umieszczanych przed oknami osłon przeciwsłonecznych pokrytych ogniwami fotowoltaicznymi. Lamelkowe przesłony nachylane są pod odpowiednim kątem, aby optymalnie chroniły przed promieniami słonecznymi. Rozwiązanie zostało wykorzystane m.in. w konkursowym pawilonie Solar Decathlon, zaprojektowanym przez studentów z politechniki w Darmstadt (fot. 9). Efektem poszukiwań korzystnego nachylenia ogniw fotowoltaicznych względem słońca jest też realizowany w Żabiej Woli pod Warszawą autorski projekt energetycznie samowystarczalnej szklarni z szybami z recyklingu (fot. 10).

Przeciwstawnym podejściem w stosunku do integracji paneli fotowoltaicznych z elewacją czy zadaszeniem jest ich świadoma ekspozycja, np. jako solarne ekrany na specjalnych wolno stojących konstrukcjach, jak w budynku Ocean Energy Research Center na hawajskiej Big Island (fot. 11.) lub jako specjalne elementy zadaszenia, jak w przypadku zewnętrznego parkingu w Las Vegas (fot. 12). Przykładem takiego podejścia jest projekt przestrzennej struktury solarnej Infinity, która była prezentowana na China International Import Expo 2019 w Szanghaju. Docelowo konstrukcja ma stanąć w parku miejskim, gdzie będzie pełnić funkcje edukacyjne – ukazywać możliwości wykorzystania energii słonecznej (fot. 13). Edukujący charakter ma także autorski projekt modernizacji kładek pieszych w Pekinie – Solar Skywalks (fot. 14).

Celem wykonanego na zlecenie chińskiego koncernu CNBM studium projektowego było opracowanie systemu energetycznej aktywacji istniejących konstrukcji poprzez estetyczną aplikację paneli solarnych. Projekt zakłada, że każdy z kilkuset istniejących mostów dla pieszych mógłby otrzymać swój niepowtarzalny wygląd: od prostych okładzin balustrad, po skomplikowane przestrzenne struktury parametryczne. Solar Skywalks byłyby żywą reklamą fotowoltaiki w metropolii borykającej się ze smogiem, ale niestety ciągle czekają na realizację. Projekt modernizacji kładek uzyskał wiele nagród, m.in. pierwsze miejsca w ICONIC Awards, Architecture Masterprize, A’Design, European Product Design Award czy MUSE Design Awards.