Pasaulinių klimato iššūkių ir sparčios technologinės evoliucijos laikais pastatų architektūra neatsiejama nuo energinio efektyvumo. Pastatas nebėra pasyvus energijos vartotojas. Jis evoliucionuoja kaip aktyvi, autonominė ekosistemos dalis, gebanti generuoti, kaupti ir išmaniai skirstyti išteklius. Naujų pastatų energinė ateitis priklauso nuo kelių pagrindinių tendencijų, kurias aktyviai tyrinėja mokslas.
Autorė: Neda Žvybienė
Šis virsmas spaudžia iš esmės peržiūrėti tradicinius projektavimo metodus. Nuo hibridinių, į pastato fasadus integruotų saulės elementų (Building-Integrated Photovoltaics, BIPV) iki kinetinių konstrukcijų ir dirbtinio intelekto valdomų mikrotinklų – technologinės inovacijos diktuoja naują formos ir funkcijos kalbą. Architektams tenka ne tik pritaikyti šiuos inžinerinius pasiekimus pastatuose, bet ir paversti savo kūrinius tvariais objektais, kuriais bus grindžiamas ateities miestų identitetas. Apžvelgiame, kaip moksliniais tyrimais grįstos inžinerinės inovacijos ir energijos kaupimo sprendimai ateityje leis pasiekti nulinės emisijos standartus.
Integruota saulės energetika ir energijos kaupimas pastatuose
Daugiausia tyrimų ir taikomųjų projektų, susijusių su pastatuose integruota saulės energetika, pastaraisiais metais plėtoja Kinijos, Nyderlandų, Ispanijos, Austrijos ir Vokietijos universitetai bei mokslo centrai. Mokslininkai ir inžinieriai vis labiau tolsta nuo tradicinių ant stogo montuojamų saulės modulių – jie susitelkia į integruotas fotovoltines sistemas, kurios keičia fundamentalų požiūrį į išorines pastato atitvaras. Fotovoltiniai elementai tampa ne priedu, o statybine medžiaga. Fotovoltinių technologijų pritaikymą architektūroje tiriančių Madrido technikos universiteto Saulės energijos instituto, vienos iš pirmaujančių Europos institucijų, mokslininkai teigia, kad didžiausias fotovoltinių sistemų ekonominis ir inžinerinis privalumas – daugiafunkciškumas. Investavęs į BIPV, plėtotojas tuo pat metu įsigyja ir išorinę pastato apdailą (apsaugą nuo kritulių, vėjo, triukšmo, UV spindulių), ir vietos elektros jėgainę. Miestų centruose, kur laisvas žemės plotas yra deficitas, o stogų plotas ribotas, daugiaaukščių pastatų fasadai lieka vienintele erdve energiniam efektyvumui didinti. Nors vertikalus fasadas sugeria mažiau saulės spindulių nei optimaliu kampu pakreiptas stogas, jis turi kitą pranašumą: generuoja daugiau energijos žiemą, kai saulė yra žemai, ir yra mažiau priklausomas nuo gausaus snygio.
Ventiliuojamieji fasadai su integruotais saulės moduliais iš pirmo žvilgsnio nesiskiria nuo prabangių kompozitinių ar akmens masės plytelių. Fotovoltinės čerpės ar ištisiniai saulės stogai taip pat gali harmoningai įsilieti tiek į modernaus, tiek į istorinio rajono pastatus. Pusiau permatomi stiklo paketai su fotovoltiniais elementais praleidžia natūralią šviesą, suteikia pastatams dinamišką šešėliavimą ir kartu generuoja energiją, tad estetiškai jie mažai skiriasi nuo tradicinių langų.
Šiuolaikiniai moksliniai tyrimai sutelkti į hibridinius reto mineralo perovskito ir silicio saulės elementus, kurie yra ženkliai efektyvesni nei įprasti silicio moduliai ir nedarko pastatų estetikos. Nyderlandų Utrechto universiteto mokslininkai, aktyviai koordinuojantys tarptautinius BIPV ir tvarios urbanistikos projektus, pabrėžia, kad tradicinį silicį keičia arba papildo naujos kartos technologijos – plonųjų plėvelių (CIGS) moduliai: lankstūs, lengvi ir itin efektyvūs išsklaidytos šviesos ar debesuotumo sąlygomis. Tai ypač aktualu Šiaurės ir Vidurio Europos regionuose. O štai naudojant perovskito elementus galima sukurti visiškai skaidrias fotovoltines dangas. Visiškai tikėtina, kad ateityje dangoraižio lango stiklai galės veikti kaip nematoma elektrinė ir tuo pat metu išlikti skaidrūs bei nekeisti patalpų mikroklimato.
BIPV potencialas milžiniškas, tačiau jiems integruoti reikia naujų projektavimo standartų. Architektas privalo su elektros inžinieriais glaudžiai dirbti jau nuo pirmųjų pastato eskizų. Pavyzdžiui, gretimi pastatai ar medžiai gali drastiškai sumažinti BIPV sistemos efektyvumą, todėl būtina iš anksto atlikti tikslią 3D insoliacijos (tiesioginės saulės apšvitos) analizę visais metų laikais. Taip pat BIPV elementai privalo atitikti priešgaisrinės saugos, mechaninio atsparumo reglamentus ir elektros apsaugos standartus.
Vis dėlto BIPV jau peržengė laboratorinių projektų slenkstį. Tą įrodo sparčiai didėjanti tokių sistemų paklausa. Ją skatina griežtėjantys valstybių energiniai reguliavimai, siekis mažinti CO₂ pėdsaką statybų versle ir NT plėtotojų noras pelnyti pastatams aukštų tvarumo vertinimo sistemų (LEED, BREEAM) sertifikatus. Projektuoti pastatą, kurio fasadas tiesiog pasyviai sensta ir reikalauja priežiūros, jau trumparegiška. Mokslininkų teigimu, ateitis priklauso gyvai, reaguojančiai ir energiją generuojančiai architektūrai. Kadangi saulės energijos generacija priklauso nuo oro sąlygų, mokslininkai daug dėmesio skiria ir energijos kaupiklių hibridizacijai. Taip pat tiriamos natūralios pastatų konstrukcijų savybės kaupti šilumą ir vėsą.
Pasaulinėje pastatų integruotos fotovoltikos (BIPV) rinkoje pirmauja Azijos ir Ramiojo vandenyno regionas. BIPV technologija laikoma svarbiu įrankiu ir įgyvendinant nacionalinę Saudo Arabijos tvarių pastatų strategiją: šalies tikslas – iki 2030 m. pasiekti, kad 50 proc. elektros energijos būtų generuojama iš atsinaujinančių šaltinių. Futuristiniame kurorte Shebara Resort Šeibaros saloje įgyvendinti inžineriniai sprendimai reprezentuoja naujausią tvarios energetikos ir išmaniųjų tinklų technologiją, pritaikytą prie dykumos ir jūrinio klimato sąlygų. Kurortą projektavusi garsi studija „Killa Design“ sukūrė vandens vilas, primenančias veidrodines nerūdijančiojo plieno sferas. Paviršiaus atspindžiai drastiškai sumažina energijos poreikį patalpoms kondicionuoti ir šildyti (ŠVOK), tačiau toks pasyvaus energijos taupymo sprendinys negalėjo išspręsti visų energijos problemų, kylančių nuo bendro elektros tinklo atskirtam (off-grid) kurortui.
Saulės energijos parką kurorte sudaro daugiau kaip 11 tūkst. fotovoltinių plokščių, išdėstytų 110 tūkst. kv. m plote. Dalis moderniausių fotovoltinių sistemų yra sumontuotos kaip pėsčiųjų bei dviračių takų dalis. Taip sumažintas neigiamas vizualinis poveikis aplinkai ir išvengta papildomų medžiagų takams kloti. Pastatai suprojektuoti taip, kad prijungti elektra varomi kateriai, kuriuose įdiegtos dvikrypčio energijos srauto technologijos V2B / V2G, veiktų kaip pastatų tinklo stabilizavimo dalis – atiduotų energiją piko valandomis.
Elektros tinklo stabilumą, apsaugantį kurortą nuo įtampos šuolių, palaiko pažangūs išmanieji keitikliai. Tinklo valdymo inžinerijai valdyti pasirinkta pažangi ETAP programinė įranga, realiuoju laiku prognozuojanti energijos suvartojimą ir saulės generaciją. Jei lauke debesuota, baterijos akimirksniu kompensuoja energijos trūkumą be jokių pertrūkių. Fotovoltinių sistemų pagaminta saulės energija maitina ir kurorto vandens gėlinimo stotį.
Geoterminė energija: nemokama šiluma iš žemės
Naujausios inžinerinės inovacijos rodo, kad geoterminė energija gali ne tik drastiškai sumažinti pastatų anglies dvideginio pėdsaką, bet ir iš esmės pakeisti požiūrį į konstrukcijų projektavimą, urbanistinį planavimą bei skaitmeninį pastatų valdymą.
Viena perspektyviausių sričių, kurioje susijungia konstrukcinė inžinerija ir geotermija, yra geoterminiai / energiniai poliai (Geothermal Energy Piles). Pastato pamatų gręžtiniai poliai panaudojami ne tik pastato svoriui laikyti, bet ir kaip geoterminio šildymo sistema. Į betonuojamus polius įmontuojami vamzdeliai, kuriais cirkuliuoja skystis, sugeriantis žemės šilumą arba atiduodantis į žemę perteklinę pastato vėsumą. Gamtos mokslų ir technologijos institutas Lozanoje (Šveicarija), garsėjantis pasaulinio lygio laboratoriniais tyrimais ir skaitmeniniais modeliais bei programine įranga energijos geostruktūrų srityje, aktyviai tiria pastatų pamatų polius ir atramines sienas, kurie atlieka dvigubą funkciją – užtikrina statinio mechaninį stabilumą ir kartu veikia kaip šilumokaičiai. Ilgalaikiais tyrimais analizuojama, kaip cikliškas grunto šildymas bei vėsinimas veikia betono struktūrą. Architektūriniu požiūriu ši technologija labai pravarti tankiai apgyvendintose miestų teritorijose, nes visiškai eliminuoja papildomų gilių lauko gręžinių poreikį ir suteikia galimybę efektyviai panaudoti žemės energiją po pačiu pastatu.
Geotermija keičia ir urbanistinį projektų mastą – mokslo bendruomenė siūlo pereiti nuo individualių namų sistemų prie penktosios kartos centralizuotų šildymo ir vėsinimo tinklų (5GDHC). Šiais pažangiais mikrotinklais galima užtikrinti pastatų grupių sinergiją – skirtingos paskirties statiniai gali dalytis energija tarpusavyje. Pavyzdžiui, prekybos centrai, kuriuos nuolat reikia vėsinti, savo perteklinę šilumą atiduoda į bendrą tinklą, iš kurio ji paimama gyvenamiesiems namams šildyti.
Mokslas, kurdamas naujos kartos uždarojo ciklo geotermines sistemas (Advanced Closed-Loop Systems), taip pat sėkmingai sprendžia iki šiol egzistavusią geografinių ribų problemą. Tradicinei geotermijai reikėjo gausių vietos požeminių vandenų išteklių, o naujausi tyrimai sutelkti į gilius, uždarus horizontalius gręžinius, kuriais galima surinkti šilumą iš karštų sausų uolienų bet kurioje pasaulio vietoje. Pasitelkus pažangias nanomedžiagas ir naujus korozijai atsparius vamzdynus, mokslininkams pavyko drastiškai padidinti šilumos perdavimo koeficientą. Ši universali technologija jau prieinama visame pasaulyje.
Galiausiai ateities pastatų geoterminės energijos gavyba neatsiejama nuo skaitmeninių dvynių ir dirbtinio intelekto integracijos. Mokslininkai jau kuria itin tikslius 3D požeminės aplinkos modelius, kurie suteiks galimybę dešimtmečiais prognozuoti grunto šiluminį laidumą.
Geoterminės energijos privalumais pasinaudota projektuojant naująjį 1060 kv. m McMasterio universiteto biologijos ir gyvybės mokslų komplekso (Kanada) pastatą su šiltnamiu. Naujajam pastatui šildyti ir vėsinti juos projektavusi „Moriyama Teshima Architects“ komanda pasirinko geoterminę energiją. Ji į pastatą patenka per jo poliuose integruotas sistemas. Šiltnamio erdvės padalytos į atskiras kameras, kuriose imituojamas skirtingas klimatas. Geoterminė energija padeda palaikyti augalams reikiamą itin tikslią temperatūrą nepriklausomai nuo Kanados žiemos šalčių ar vasaros karščių. Šiltnamyje integruoti išmanieji klimato valdikliai. Kiekvienoje kameroje yra atskiri oro apdorojimo įrenginiai, iš geoterminės sistemos paimantys tiek šilumos ar vėsos, kiek reikia konkrečios rūšies augalams.
Grąžinti skolą gamtai
Statyba be atliekų ir atsinaujinančių išteklių energija – neatsiejama tvarios architektūros dalis. Taip grąžinama skola gamtai už išnaudotus jos resursus. Šiemet įsigaliojo nauji Europos Sąjungos (ES) reikalavimai, įpareigojantys visų didesnių kaip 2000 kv. m pastatų statytojus apskaičiuoti ir deklaruoti bendrą objekto gyvavimo ciklo taršą – vadinamąjį visuotinio atšilimo potencialą. Ši prievolė netrukus taps dar griežtesnė, nes nuo 2028 m. visi nauji viešieji pastatai privalės būti visiškai netaršūs, o nuo 2030 m. nulinės emisijos standartas bus taikomas absoliučiai visiems naujiems statiniams ES. Šioje ambicingoje žaliojo kurso transformacijoje svarbų vaidmenį atlieka mokslininkai. Jie kuria statybinių medžiagų gyvavimo ciklo vertinimo metodikas ir numato ateities medžiagas – nuo anglies dvideginį absorbuojančio betono iki inovatyvios šilumos ir garso izoliacijos iš biomedžiagų. Kad pasibaigus pastato gyvavimo ciklui moduliai netaptų taršos šaltiniu, taip pat kuriami nauji saulės modulių bei baterijų perdirbimo metodai. Savo tyrimais mokslas įpareigoja architektus bei inžinierius teisiškai ir praktiškai įgyvendinti griežtėjančias ES direktyvas.
Sujungusi federalinius reikalavimus ir vietos statybos kodeksus, vienus iš griežčiausių pasaulyje visuotinio atšilimo potencialo (VAP) ribojimų taiko Kanados vyriausybė. Visiems dideliems valstybiniams projektams privalu atlikti viso pastato gyvavimo ciklo vertinimą ir sumažinti anglies dioksido poveikį bent 30 proc. Tokie miestai kaip Vankuveris ir Torontas taiko privalomas maksimalias VAP lubas naujoms statyboms, o siekiant šių tikslų rinka yra aktyviai skatinama plieną ir betoną keisti į tvarią vietos medieną.
Jungtinėse Amerikos Valstijose (JAV) VPA reguliavimas skiriasi nuo ES modelio. JAV nėra priimtas vieningas federalinis įstatymas, numatantis privalomą viso pastato gyvavimo ciklo vertinimą, tačiau čia taikoma griežta „Pirk švariai“ (Buy Clean) politika bei valstijų įstatymai. Federaliniu lygmeniu dėmesys sutelkiamas į statybinių medžiagų taršą, o valstijos pačios renkasi papildomus apribojimus.
Architektų studija „Atelier Lune“ JAV rinkai neseniai pasiūlė tvaraus kilnojamojo namo alternatyvą. Camping House bus statomas taikant žiedinės ekonomikos principus. Jo gamybai parinktos lengvos, visiškai perdirbamos ir tvarios medžiagos. Pasibaigus namelio eksploatavimo laikui, beveik visas medžiagas bus galima išmontuoti ir grąžinti į antrinį perdirbimą. Pagrindinė namelio konstrukcija ir judančios, sulankstomos dalys pagamintos iš perdirbamo aliuminio. Sienoms šiltinti naudojamos ekologiškos biologinio pagrindo izoliacinės medžiagos. Fasado apdailai parinktos lengvai pakeičiamos išorinės apdailos plokštės. Kai kurioms transformuojamoms ir išskleidžiamoms namelio dalims bei stogeliams naudojamos specialios, lengvai taisomos tekstilinės membranos, apsaugančios nuo vėjo bei lietaus. Šis inovatyvus mažo namo projektas sulaukė didelio tarptautinio architektūros ir dizaino bendruomenės pripažinimo. Šiemet namelis yra „Architizer A+Awards“, vienos didžiausių tarptautinių programų, orientuotų į geriausią pasaulio architektūrą, finalininkas – jis pateko tarp tvarios nepastatytos gyvenamosios architektūros kategorijos geriausiųjų kūrinių.
Namai kaip vėjo gaudyklės
Daug didesnis iššūkis nei saulės energijos gamyba mokslininkams yra vėjo energetikos integracija naujuose pastatuose (BIWT). Tradicinės vėjo jėgainės miestuose neveikia dėl mažo vėjo greičio, didelės turbulencijos ir pastatų sukeliamų aerodinaminių kliūčių. Mokslininkai ir vizionieriai siūlo pastatų formas projektuoti taip, kad jos veiktų kaip milžiniškos vėjo gaudyklės, generuojančios švarią energiją, todėl ir tyrimai koncentruojami į tris pagrindines kryptis: aerodinaminę pastatų architektūrą, vertikalios ašies jėgaines ir eksperimentines technologijas be judančių dalių.
AGH Mokslo ir technologijų universiteto (Lenkija) darbuotojų teigimu, naujų pastatų siluetai turėtų būti modeliuojami taip, kad patys pagreitintų ir tikslingai nukreiptų oro srautus. Šios evoliucijos pagrindu tampa inžinerijos ir mokslo sritis – skaičiuojamoji skysčių dinamika (Computational Fluid Dynamics, CFD). Pasitelkę CFD modeliavimą, architektai gali sukurti unikalius ir labai veiksmingus pastatų siluetus. Pavyzdžiui, pasirinkus ties viduriu siaurėjančią pastato formą arba strategiškai išdėsčius nišas, sukuriami aerodinaminiai koridoriai. Šiose zonose suspaustas oro srautas natūraliai įgyja daug didesnį greitį ir pasiekia maksimalų efektyvumą, reikiamą vėjo jėgainėms. Vienas ryškiausių iš įgyvendintų tokių projektų – Bahreino pasaulio prekybos centro kompleksas, kuriame vėjo jėgainės įmontuotos į du dangoraižius jungiančius tiltus. Integruota konstrukcija įrodė, kad energetinė infrastruktūra gali tapti pagrindiniu pastato estetiniu ir funkciniu akcentu.
Miesto erdvėms būdingas nuolat kryptį keičiantis ir gūsingas vėjas, todėl tradicinės horizontalios ašies jėgainės, primenančios įprastus propelerius, yra visiškai neefektyvios. Šiuolaikiniai moksliniai ir architektūriniai tyrimai sutelkti į vertikalios ašies vėjo jėgaines (VAWT). Esminis jų pranašumas – nepriklausomybė nuo vėjo krypties. Be to, naujausios kartos jėgainėse naudojami magnetinės levitacijos guoliai leidžia išvengti didžiausios BIWT problemos – į pastato konstrukcijas persiduodančios žemo dažnio vibracijos ir triukšmo.
Šiuo metu eksperimentinėje architektūroje daugiausia vilčių teikia vėjo jėgainių konstrukcijos visiškai be jokių besisukančių menčių. Vadinamoji Vortex Bladeless technologija grįsta aeroelastinio plazdėjimo principu. Vertikalūs, lankstūs stiebai ne sukasi, o ritmingai švytuoja vėjyje dėl sūkurių sukelto rezonanso. Tokios sistemos nekelia pavojaus paukščiams, veikia visiškai tyliai ir jų techninė priežiūra minimali, nes jose nėra besidėvinčių mechaninių dalių.
Nors BIWT potencialas milžiniškas, masinei šios sistemos integracijai vis dar kyla rimtų inžinerinių bei ekonominių barjerų. Pirmiausia mažų miesto vėjo jėgainių lėta investicinė grąža. Antra, besisukančios jėgainės sukuria didžiules dinamines pastato pamatų ir sienų apkrovas, dėl to reikia papildomai stiprinti konstrukcijas, o tai savo ruožtu brangina statybas. Galiausiai lieka neišspręstas saugumo faktorius atšiauraus klimato zonose, kur apledėjusios mentės žiemą kelia pavojų pro pastatus praeinantiems žmonėms.
Vis dėlto nuolatinė statybinių medžiagų mokslo pažanga rodo, kad BIWT taps neatsiejama tvarių megapolių dalimi.
Eksperimentiniais architektūros objektais garsėjanti architektė Margot Krasojević, studijos „Margot Krasojević Architects“ įkūrėja ir vadovė, aktyviai domisi BIWT koncepcija ir dažnai ją paverčia pagrindine savo projektų ašimi. Jos darbuose vėjo turbinos nėra tiesiog sumontuojamos ant stogo – jos visiškai integruojamos į pastato tūrį. Termodinaminė vėjo turbinos koplyčia ir klubas Kotore (Juodkalnija) – vienas iš tokių projektų. Sraigtinės Archimedo vėjo turbinos integruotos į šių pastatų karkasą. Sistema suprojektuota atlaikyti ir panaudoti Juodkalnijos kalnuose siaučiantį stiprų Bora vėją. Kitaip nei įprastos jėgainės, šios kriauklės formos turbinos veikia itin tyliai, yra atsparios audroms ir efektyviai gaudo bet kurios krypties vėją. Pastato sienos suformuoja aerodinaminius tunelius, kurie dirbtinai suspaudžia ir pagreitina oro srautus, nukreipdami juos tiesiai į generatorius elektros energijai gaminti. Ši kinetinė vėjo energija veikia išvien su termodinamine sistema. Pastatui panaudoti specialūs polimerai surenka klube ar koplyčioje susirinkusių žmonių kūnų šilumą bei judesio slėgį ir paverčia juos papildoma elektros srove.
