Κινούμενο κέλυφος που παράγει ενέργεια σε κτίριο διαμερισμάτων

Πρόκειται για ένα κτίριο διαμερισμάτων στην πρωτεύουσα Βαντούζ του πριγκιπάτου του Λιχτενστάιν, το οποίο πρόσφατα ολοκληρώθηκε κατόπιν διεξαγωγής μιας ενδελεχούς έρευνας και ενός ολοκληρωμένου σχεδιασμού που διήρκησε έξι χρόνια. Το "ενεργητικά ενεργειακό κτίριο", όπως αποκαλείται από τους δημιουργούς του Anton Falkeis και Cornelia Falkeis-Senn, σχεδιάστηκε με γνώμονα την αειφορία και με σκοπό την ενεργειακή αυτονομία και αποτέλεσε το νικητήριο έργο ενός διεθνούς αρχιτεκτονικού σχεδιασμού.

Αειφορία κατασκευής
Συνδυάζοντας την αρχιτεκτονική με άλλους κλάδους της μηχανικής, όπως τη ρομποτική, τη μηχανολογία, τη δυναμική των κατασκευών, την υδραυλική και τη θερμοδυναμική, η μελετητική ομάδα falkeis²architects, που αποτελεί και το φορέα του έργου, ανέπτυξε ένα κτίριο, στο οποίο εφαρμόστηκαν αρχιτεκτονικές λύσεις και ενσωματώθηκαν καινοτόμοι τεχνολογίες με βάση τις αρχές της βιώσιμης ανάπτυξης στο επίπεδο του ενεργειακού σχεδιασμού και της κατασκευής του φέροντος οργανισμού. Όσον αφορά στον πρώτο, η βιωσιμότητα του κτιρίου επιτυγχάνεται με τη χρήση αποκλειστικά ανανεώσιμων πηγών ενέργειας για την κάλυψη των αναγκών ιδιοκατανάλωσής του και την εγκατάσταση νέων τεχνολογιών για τη ρύθμιση του μικροκλίματος στο εσωτερικό του κτιρίου. Στο επίπεδο της κατασκευής, ο σχεδιασμός και η διανομή των δομικών στοιχείων του φέροντος οργανισμού έγιναν με τέτοιο τρόπο, ώστε να επιτρέπεται η εκ νέου οργάνωση και ο επανασχεδιασμός του χώρου σε μελλοντικό χρόνο, κατά τη διάρκεια ζωής του κτιρίου, χωρίς καμία επίπτωση στα δομικά στοιχεία του σκελετού.

Σχεδιασμός κελύφους
Ο σχεδιασμός του φέροντος οργανισμού προέκυψε από το συνδυασμό της υπολογιστικής γε-
ωμετρίας και της στατικής ανάλυσης. Ειδικότερα, εφαρμόστηκε το τρισδιάστατο γεωμετρικό μοντέλο του διαγράμματος Voronoi, η αρχή λειτουργίας του οποίου έγκειται στη δημιουργία
πολύεδρων κελιών, οι ακμές των οποίων συνιστούν τα δομικά στοιχεία του στατικού συστή-
ματος. Αυτό το μοντέλο δεν χαρακτηρίζεται από την επαναληψιμότητα των κόμβων, όπως τα
συμβατικά μοντέλα στατικής ανάλυσης, αλλά από κελιά ακανόνιστου σχήματος και πολύπλο-
κης γεωμετρίας, προσφέροντας ευελιξία στο σχεδιασμό σύνθετων δομικών συστημάτων,
υψηλής αντοχής σε κάμψη και εφελκυσμό. Πλέον του πρωτοποριακού δομικού συστήματος, η
ομάδα μελετών σχεδίασε ένα κινούμενο εξωτερικό κέλυφος, το οποίο προσαρμόζεται στις κλιματικές συνθήκες, ώστε από τη μία να αξιοποιείται η ηλιακή ακτινοβολία προς παραγωγή ενέργειας και από την άλλη να ρυθμίζεται το μικρόκλιμα του εσωτερικού του κτιρίου και κατ’ επέκταση να μειώνονται οι ενεργειακές του απαιτήσεις. Προς αυτή την κατεύθυνση συνέβαλε και ο αρχιτεκτονικός σχεδιασμός των εξωτερικών όψεων του κτιρίου. Οι falkeis²architects ανέπτυξαν ένα σχεδιαστικό εργαλείο βέλτιστης κατανομής της μάζας του κτιρίου με σκοπό τη μέγιστη έκθεση των εξωτερικών επιφανειών στην ηλιακή ακτινοβολία. Ως εκ τούτου οι επιφάνειες της κάθε όψης διαμορφώνονται διαφορετικά, ανάλογα με τον προσανατολισμό τους σε σχέση με την κίνηση του ήλιου. Αναλυτικότερα, στην ανατολική όψη, όπου αποκαλύπτεται το στατικό σύστημα του κτιρίου με τη μορφή του γεωμετρικού μοντέλου Voronoi, υπάρχουν ειδικά κινούμενα "κλιματικά πτερύγια". Η νότια πλευρά αποτελείται από μία κεκλιμένη επιφάνεια, η βόρεια πλευρά είναι κατακόρυφη και τυφλή, ενώ η δυτική πλευρά χαρακτηρίζεται από έντονες εσοχές.

Παραγωγή ενέργειας
Το "ενεργητικά ενεργειακό κτίριο" λειτουργεί ως ηλιακός σταθμός ηλεκτροπαραγωγής με δυνατότητα αποθήκευσης του πλεονάσματος της ενέργειας στους ταμιευτήρες των υδροηλεκτρικών μονάδων της περιοχής. Για τις ανάγκες του έργου κατασκευάστηκαν προηγμένα φωτοβολταϊκά συστήματα, με συντελεστή μετατροπής ίσο με 2,9, τα οποία εγκαταστάθηκαν στην οροφή και στη νότια πλευρά του κτιρίου. Ειδικότερα, στην οροφή τοποθετήθηκαν ανιχνευτές δύο αξόνων, επάνω στους οποίους προσαρμόστηκαν 13 φωτοβολταϊκά πετάσματα. Το σύστημα δύο αξόνων είναι συνδεδεμένο με ένα λογισμικό ελέγχου, το οποίο ρυθμίζει την κίνηση του ιχνηλάτη σε σχέση με την κίνηση του ήλιου, ενώ παράλληλα επεξεργάζεται τα μετεωρολογικά δεδομένα που λαμβάνουν οι αισθητήρες ανέμου και ηλιακής ακτινοβολίας. Έτσι, σε περίπτωση υψηλών ανέμων τα φωτοβολταϊκά πετάσματα μετακινούνται στην οριζόντια θέση, ώστε να ελαχιστοποιηθούν οι ανεμοπιέσεις και τα αντίστοιχα οριζόντια φορτία που επιβαρύνουν το κτίριο.

Θέρμανση και ψύξη κτιρίου
Για την κάλυψη μέρους των αναγκών του κτιρίου σε θέρμανση και ψύξη, πέρα από τη γεωθερμία, αξιοποιείται η ηλιακή ενέργεια κατά τη διάρκεια της ημέρας και η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία κατά τη διάρκεια της νύχτας, αντίστοιχα, μέσω ειδικών "κλιματικών πτερυγίων". Τα πτερύγια είναι αναρτημένα στην ανατολική και δυτική όψη του
κτιρίου και αποτελούν τμήμα ενός ενιαίου κινούμενου κελύφους. Απορροφούν ενέργεια από το εξωτερικό περιβάλλον και την αποδίδουν στο εσωτερικό του. Η αρχή λειτουργίας του συστήματος βασίζεται στις ιδιότητες του υλικού αλλαγής φάσης PCM (phase change material), το οποίο είναι ενθυλακωμένο εντός των πτερυγίων, να αποθηκεύει (ή να εκπέμπει) λανθάνουσα θερμότητα, όταν μεταπίπτει από στερεό σε υγρό (ή αντιστρόφως). Στη δυτική πλευρά έχουν εγκατασταθεί 4 κινούμενα πτερύγια συνολικού εμβαδού 24 m², τα οποία καλύπτουν το 10% των θερμικών αναγκών του κτιρίου, ενώ στην ανατολική πλευρά έχουν εγκατασταθεί 3 κινούμενα πτερύγια συνολικού εμβαδού 15 m², τα οποία καλύπτουν το 15% της απαιτούμενης ενέργειας σε ψύξη. Τα θερμικά πτερύγια είναι ανοικτά κατά τη διάρκεια της ημέρας και απορροφούν την ηλιακή ενέργεια κατά τους χειμερινούς μήνες, με αποτέλεσμα να συντελείται τήξη του υλικού αλλαγής φάσης σε θερμοκρασία 31°C, να αποθηκεύεται η θερμότητα στο εσωτερικό του και να αποδίδεται εντός του κτιρίου με τη μορφή θερμού αέρα. Αντιστρόφως, τα ψυκτικά πτερύγια είναι ανοικτά κατά τη διάρκεια της νύκτας τη θερινή περίοδο, αποθηκεύουν το ψυκτικό φορτίο στους 21°C, όταν η πήξη του υλικού PCM λαμβάνει χώρα, και το αποδίδουν μέσω του συστήματος αερισμού στο εσωτερικό του κτιρίου.
Συνοπτικά, η χρήση του γεωμετρικού μοντέλου Voronoi, η εφαρμογή ενός κινούμενου κελύφους, η εγκατάσταση συστημάτων αξιοποίησης της ηλιακής ακτινοβολίας και ο αρχιτεκτονικός σχεδιασμός των όψεων σε συνάρτηση με τον προσανατολισμό τους συνέβαλαν στη δημιουργία ενός κτιρίου που λειτουργεί ως ζωντανός οργανισμός, άρρηκτα συνδεδεμένου με το εξωτερικό του περιβάλλον.