Сонячні батареї в архітектурі та дизайні

Сучасні фотоелектричні модулі можуть бути включені практично в будь-який архітектурний проект і як будівельний матеріал для облицювання будівлі, і для створення самих огороджувальних конструкцій будівель, і як екстер’єрна конструкція. У всіх цих випадках вони можуть доповнювати художній задум архітектурного проекту. Для успішного, з архітектурної точки зору, впровадження PV-систем, необхідно вибрати відповідну «дизайн-стратегію».

Потрібно, звичайно, мати на увазі, що конструктивне впровадження та дизайн-стратегія – фундаментально різні речі, і в ідеальному випадку ці дві концепції повинні бути доповнені енергетичною концепцією, що забезпечує достатню енергоефективність. Коли подібна дизайн-концепція відсутня, ми зустрічаємося з вкрай не привабливими варіантами впровадження PV – систем: розміщення фотоелектричних модулів на самій будівлі або поруч з нею, без будь-якої архітектурної ідеї, з єдиною метою – забезпечити вироблення електроенергії.

Можна виділити наступні дизайн-стратегії для впровадження PV систем в архітектурний проект:

1. колаж;
2. інтеграція:
3. явна інтеграція / домінування;
4. прихована інтеграція / підпорядкування;
5. імітація.

Колаж

Родоначальником цього напрямку в архітектурі по праву, вважається канадсько-американський архітектор Френк Гері, який ще в 1980 році встановив дві жорстко скріплені сонячні батареї на даху свого «Spiller House» в Лос-Анджелесі.

Як видно з фотографії, сонячні батареї зі звичайного обладнання перетворилися в дизайнерський аксесуар, їх дещо не традиційна, «недбала» установка на даху становить якийсь композиційний колаж. Продовженням подібного підходу можна вважати будівлю знаменитого німецького архітектора Рольфа Дішан побудовану в 1994 р. в «сонячній столиці» Німеччини – Фрайбурзі. Кругла за формою будівля, яка повністю обертається, иак звана «Heliotrop», обладнана сонячними панелями на даху, площею 50м².

І, якщо в разі «Spiller House» Френка Гері, модулі цілком можуть бути демонтовані, то демонтаж сонячних модулів з даху Heliotrop видається проблематичним, хоча досить складно назвати ці панелі інтегрованими з покрівлею. У Німеччині існують три таких будинки: перший, експериментальний, побудований в 1994 році, як будинок самого архітектора у Фрайбурзі, а два інших використовуються в якості виставкових будівель для компанії Hansgrohe в Оффенбурзі і стоматологічної лабораторії в Hilpoltstein в Баварії.

Через тридцять років концепція колажу, яка полягає в комбінації здається несумісними речей, отримала продовження в проекті «Suncity» -Energy-Plus-Housing архітектора Ервіна Калтенеггера в м Вайц (Австрія). Цей проект був удостоєний премії Austrian Solar Prize, як приклад вдалого поєднання дерев’яної архітектури і сонячних модулів, що становить екологічно абсолютно чисту комбінацію. Варто відзначити, що в цьому проекті сонячні модулі, крім вироблення електроенергії, виконують так само функцію козирків над віконними і дверними отворами, підкреслюючи недоцільність їх демонтажу. Чудовим прикладом впровадження фотовольтаїки в архітектурний дизайн історичної будівлі, зробленим за принципом колажу, є проект реконструкції церкви Groenhof Castel у Фландрії (Бельгія), виконаний архітектурним бюро «Samyn & Partners» в 1996-99 роках.

Будівля церкви Groenhof Castel (1830р. Бельгія). Реконструкція проведена архітектурним бюро Samyn & Partners в 1996-99, I-премія на Belgian Architectural Awards 2000.
Фотоелектричний фасад розташований тут перед самою будівлею і сприймається як елемент навмисно чужий по відношенню до архітектури будівлі.

Інтеграція

У той час, як в Лос-Анджелесі Френк Гері будував свій Spiller House, німецький архітектор і інженер Томас Херцог почав переосмислювати роль архітектури в охороні навколишнього середовища, сумісності природи і нових технологій і економії матеріальних ресурсів. У 1979-82 роках він побудував в Мюнхені житловий будинок, який можна вважати початком нової «зеленої» архітектури з інтеграцією сонячних панелей.

Житлові будинки Томаса Херцога в Мюнхені – початок «сонячної архітектури». Опрацьовані Томасом Герцогом майже 30 років тому питання BIPV проектування досі залишаються актуальними .

Успішній реалізації цього проекту сприяло спільне співробітництво з інститутом сонячної енергії Solar Energy Systems наукового товариства Фраунгоффер (Fraunhoffer). За сприяння цієї фінансової інституції в рамках європейського дослідницького проекту в екстер’єр житлового будинку були впроваджені 60м² сонячних модулів від різних виробників. Це був перший випадок, коли сонячні модулі повністю замінили частини облицювання будівлі, а не просто були додані до існуючої обробці.

Фактично, Томаса Херцога можна вважати родоначальником BIPV – він запропонував концепцію комплексного архітектурного проектування, яка включає в себе як просторовий дизайн будівлі, так і технічні рішення, які стосуються фізичним, механічним і іншим характеристикам огороджувальних конструкцій, і при цьому всі деталі і рішення проекту знаходяться в розумному балансі і доповнюють один одного.

Явна інтеграція (домінування)

Концепція домінування полягає у виділенні PV-систем серед інших форм і матеріалів, застосованих в зовнішньому екстер’єрі будівлі. Сонячна енергоустановки стає домінантою в архітектурній композиції проекту, забезпечуючи більш яскравий естетичний ефект по відношенню до інших матеріалів. Сонячна технологія виставляється напоказ, щоб підкреслити інноваційний та енергоефективний характер будівлі.

Це може бути виражено і в орієнтації самої будівлі по відношенню до сонця, і в куті нахилу покрівлі, навіть колір і форма фотоелектричних модулів можуть бути визначальними при виборі інших будівельних матеріалів, наприклад, скління та ін.

Родоначальником цього напрямку можна вважати Рольфа Дішан і іншого знаменитого представника Фрайбургской наукової школи – Маттіаса Готцев (Matthias Hotz), які разом спроектували першу в світі абсолютно екологічно чисту фабрику з нульовим викидом у Фрайбурзі та флагманський проект – сонячна село в околицях Фрайбурга. Обидва проекти були приурочені до міжнародної виставки EXPO World Exhibition 2000.

Основною метою даних проектів було дати відвідувачам виставки найбільш чітке уявлення про «сонячну архітектуру».

 У французькому місті Alès (Департамент Gard), архітектори додали сонячний фасад, до старовинної церкви 11-ого століття, яка в даний час використовується в якості туристичного офісу. Модулі вписуються в загальну картину будівлі та адаптовані до кольору і структури історичного фасаду, але, тим не менш, явно відчувається їх протиставлення і домінування над старовинною архітектурою. Архітектор – Жан Франсуа Роже (Jean-François Rougé). Встановлена ​​потужність 9,2 кВт. Фотоелектричні модулі були додані за допомогою прихованої системи кріплення. Чорні, матові модулі виробництва «Solarwatt» відмінно поєднуються з існуючою архітектурою, одночасно, злегка додаючи елемент хай-теку. Площа панелей: 160 м². Встановлена ​​пікова потужність: 24 кВт. Вихід енергії: 21.000 кВтг / в рік.

 Неявна інтеграція (підпорядкованість)

Приблизно на рік пізніше проекту «Solar Region Friburg» архітектурними бюро Jourda і Perraudin був завершений проект будівлі «Академії післядипломної освіти» (Mont Cenis Academy for Further Education in Herne) в м Херне (Німеччина).
Академія Mont Cenis – це державна установа з великою кількістю різних функцій: це коледж, бібліотека, офіси, готель, ресторан, зона відпочинку, спорт зал і т.д. Конструкція складається з дерев’яного каркаса, а основним огороджувальних матеріалом є скло в алюмінієвій рамі. Площа скла становить 20.000м². Приблизно половина заскленої площі – це інтегровані фотоелектричні модулі різної прозорості, що забезпечують оптимальне освітлення і затінення, і розташовані таким чином, що всередині будівлі протягом року забезпечується м’який середземноморський клімат.
Залишаючись в рамках розробленої Томасом Герцогом інтеграційної концепції, фотовольтаїка в цьому проекті не кидається в очі і практично непомітна в архітектурному вигляді будівлі. Займаючи майже 10 000м² і являючи собою найбільшу за площею PV- інтегровану покрівлю свого часу з піковою потужністю 1 МВт, покрівельна система практично не виділяється серед решти скляної поверхні. Виконана з напівпрозорих панелей і, в основному, виконує роль світового ліхтаря, а вироблення електроенергії є всього лише додатковим «бонусом».

Концепція неявної підпорядкованої інтеграції отримала нове дихання в проектах однією з провідних в області BIPV компанії Onyx Solar. Мабуть, найбільш показовим проектом, виконаним цією компанією в стилі «неявній інтеграції», є реконструкція покрівлі Традиційного ринку в м Бехар в провінції Саламанка в Іспанії. Цей світловий люк здатний виробляти 8 763 КВт / год запобігаючи викиду 2.95 тонн CO2 щороку.

Компанія Onyx Solar спроектувала світловий ліхтар, площею 175м², з напівпрозорих тонкоплівкових панелей різних кольорів. Крім інших достоїнств, поєднання кольорового скла з прозорими вражає своєю естетикою і нагадує картини голландського живописця Піта Мондріана.

Імітація

Принцип імітації полягає в гармонійному інтегруванні PV модулів в структуру будівлі, з мінімізацією видимих ​​відмінностей між фотоелектричними модулями і традиційними будівельними матеріалами. Для цієї мети, як правило, використовуються сонячні модулі, вироблені спеціально для даного проекту.

Форма і розмір PV – модулів в цьому випадку залежить головним чином від форми і розміру тієї будівельної конструкції, яку вони будуть імітувати. І, в той час як економічна доцільність диктує збільшення площі установки, тим самим зумовлюючи форму панелей, найбільш підходящу для цієї мети, архітектурна концепція імітації в числі іншого вимагає, щоб розмір модулів завжди був співмасштабним і відповідав розмірам традиційних матеріалів.

Аж ніяк не всі виробників фотоелектричних модулів враховують вищезазначені чинники, і з цієї причини не завжди знаходяться компромісні модулі для успішної інтеграції панелей в структуру будівлі. Однак, використовуючи творчий потенціал архітекторів і проектувальників, можна створити цікаві проекти будівель будь-якого призначення. Модулі можуть нагадувати своїм кольором і формою вікна і вітражі, тим самим вдало гармонируя з будь-яким типом будівель, гармонійно доповнюючи архітектурні рішення фасаду, знаходячи застосування і там, де є потреба у денному світлі, і там, де потрібно затінення.
Marche International Office – перша в історії офісна будівля з нульовим споживанням енергії. Такі приклади, як реконструкція приватного будинку 1960р. в м Тіфенбронн або офісна будівля Marche International Office недалеко від міста Вінтертур (Швейцарія), є яскравими прикладами того, якою оманливою і непомітною може бути сонячна архітектура майбутнього.
Marche International Office – це перше в історії офісна будівля з нульовим споживанням енергії ззовні (Zero-Energy Building). Цей проект був удостоєний європейського призу за застосування інтегрованих в будівлю сонячних модулів. Примітно, що головою журі, яке присудило будівлі цю нагороду, був сам професор Томас Херцог.

Ще більш вражаючим проектом виконаним в концепції «імітація» є проект експериментального будинку запропонований студентами Технічного Університету німецького міста Дармштадта, підготовлений в рамках студентського конкурсу «Solar Decathlon 2007».
Елемент жалюзі експериментального будинку, спроектованого студентами Технічного Університету Дармштадта на «Solar Decathlon 2007″.
У цьому, безумовно заслуговуючому увагу проекті, автори скомбінували тонкоплівкові кремнієві фотоелектричні модулі з дерев’яними смужками жалюзі, зробивши їх помітними, хіба що, при найближчому розгляді. Більш того, згідно з описом проекту, жалюзі автоматично повертаються на потрібний кут в залежності від часу доби, що дозволяє виробляти максимум енергії, одночасно створюючи оптимальне затінення.

Сонце є практично невичерпним джерелом енергії, важко собі уявити, але за пів години Земля отримує від Сонця енергію, яку все людство споживає протягом року. В останні роки складається стійка думка, що всі потреби людства в енергії можуть бути покриті використанням сонячної енергії. Наприклад, дуже цікавий дослідницький проект Sun-Area стверджує, що 20% покрівель у всій Німеччині придатні для встановлення сонячних батарей, і вироблена ними потужність може повністю покрити потреби всіх домоволодінь країни.

Довгі роки людство б’ється над проблемою створення безпечного термоядерного реактора, що практично є спробою відтворити маленьку модель Сонця на Землі, і відносно мало коштів і зусиль докладається для більш ефективного використання енергії від вже існуючого термоядерного джерела – Сонця, в той час як сонячна енергія, будучи абсолютно безкоштовною, в достатку «поставляється» на більшу частину земної поверхні.

До того ж, сонячне випромінювання – це чисте з екологічної точки зору, джерело енергії, яке не викидає парникових газів, ні токсичних відходів. Нові ж тенденції в архітектурі, BAPV і BIPV. показують нам наскільки повсякденними і органічно вписаними в наше життя з естетичної точки зору можуть стати сонячні «електростанції» не займаючи при цьому додаткових площ і звівши до мінімуму втрати електроенергії при її транспортуванні.