Design av faste elementer for optimalisert solskjerming i Torslandaskolen

LINK Arkitektur og InformDesign fikk i oppgave å komme frem til optimale kombinasjoner for dagslysinngang og solskjerming i den nye Torslandaskolen i Gøteborg.

Tekst: Harris Poirazis, InformDesign, og Emil Martinac, LINK Arkitektur. Illustrasjoner: Inform design. Visualiseringer: LINK Arkitektur

Gøteborg by feirer 400-års jubileum i 2021. Tema for feiringen er: Gøteborg er verdens beste by å oppholde seg i når det regner.

Da det skulle bygges ny barneskole på Torslanda like utenfor Gøteborg, utlyste de en arkitektkonkurranse med dette som kreativ tilnærming. Konkurransen ble vunnet av LINK Arkitektur, og skolen ferdigstilles etter planen i 2022.

Skolen består av to store bygninger bundet sammen av en mellombygning med store glassfasader. Mot sør består en del av glassfasaden av solcellepaneler. Disse produserer strøm, og fungerer også som solskjerming.

InformDesign fikk i oppgave å komme med et sett forslag til enkle og kostnadseffektive løsninger på hvilke faste installasjoner som vil gi optimale løsninger for solinnstråling og dagslysinngang i den nye Torslandaskolen.

Hovedbygningene

I klasserommene i de øverste etasjene av bygningene er det størst risiko for overoppheting. På de utvendige fasadene er det faste, utvendige installasjoner.

Inform Design utførte sol-, blending- og dagslysanalyser for å finne optimale kombinasjoner av installasjonene utenfor klasserommene i andre og tredje etasje. De analyserte forholdene på alle hjørneklasserom samt på hele fasaden.

Render av Torslandaskolen

Målsettinger:

  1. Begrense risiko for overoppheting ved å blokkere for overdreven solstråling. Det meste av solbelastningene skal kontrolleres med faste, ytre elementer. For å unngå for dominerende installasjoner som fjerner for mye av utsikten, ble det også undersøkt effekten av innvendig solskjerming.
  2. Slippe inn mye dagslys av god kvalitet i klasserommene, og beholde utsikten for å skape en visuell forbindelse mellom klasserommene og omgivelsene utendørs.
  3. I første etasje er det store glassflater. Her forventes det tilstrekkelig dagslysinngang (Figur 2).

Dagslystilgang

Inform Design bruker sofistikert ingeniørkunst for å foreta analyser og beregninger. Disse skal støtte opp om den arkitektoniske hensikten, samtidig som de imøtekommer bygningens ytelseskrav.

Det første man ønsket å få svar på, var under hvilke forhold man ønsket god dagslystilgang. To ulike scenarioer ble utforsket, (Figur 3) ved standardisert overskyet himmel, og (Figur 4) på solfylte dager.

Standardisert overskyet himmel: Mål: å slippe inn mye dagslys av god kvalitet, samt å beholde mest mulig av utsikten (figur 3):

Illustrasjon av solskjerming i Torslandaskolen
Figur 3. Slik oppfatter vi forholdene innendørs: Moderat, ikke mye kan oppnås ettersom utendørsforholdene er mørke og kjedelige.

På solfylte dager: Mål: slippe inn godt med dagslys i klasserommene, men samtidig unngå å måtte sperre for utsikten ved innvendig solskjerming. Et optimalt inneklima med mye dagslys skal motivere elevene til å være innendørs selv om det er flott vær ute (figur 4):

 

Illustrasjon av solskjerming i Torslandaskolen
Figur 4. Slik oppfatter vi forholdene innendørs: Mørke og triste, dette bør vi unngå.

Hvordan slippe inn dagslys når man trenger det mest

Illustrasjon av dagslysinnslipp

Faste installasjoner

Render av Torslandaskolen
En del av solskjermingen er faste installasjoner på vinduene. Illustrasjon: LINK Arkitektur

 

Illustrasjon av faste elementer som solskjerming

  • Case 1: 3 m høye elementer i forskjellig rotasjon mot øst og vest: Forholdet 1: 1 (dybde til mellom avstand), 3 m høye elementer, 0,05 m tykke, rotert 30° mot øst og 0° mot vest

Illustrasjon av faste elementer som solskjerming

  • Case 2: 3 m høye elementer med lik rotasjon mot øst og vest: Forholdet 1:2, 3 m høye elementer, 0,05 m tykke, rotert 45° mot både øst og vest

Illustrasjon av faste elementer som solskjerming

  • Case 3: 3 m og 1.2 m høye elementer jevnt fordelt: Forholdet 1:2, 3 m høye elementer, 0,05 m tykke, rotert 30° mot øst og 0° mot vest (i mellom)

Illustrasjon av faste elementer som solskjerming

  • Case 4: 3 m og 1.2 m høye elementer ujevnt fordelt:Forhold 1: 2, 3 m høye elementer, 0,05 m tykke, rotert 30° mot øst og 0° mot vest (ved et av vinduets kanter, kun for brede vinduer). Forhold 1: 2, 1,2 m høye elementer, 0,05 m tykke, 45 ° mot både øst og vest.

Hvordan kan vi redusere avviket mellom simuleringer og reell ytelse?

Teoretisk ytelse

Illustrasjon av solskjerming i Torslandaskolen
De gulprikkede områdene viser når klasserommene er i bruk. De grønne områdene viser når 100% av klasserommene har tilfredsstillende dagslysinngang. Dette er altså ganske spredt, spesielt på østfasaden på morgenen.

Tar man kun hensyn til kravene for dagslystilgang i designprosessen, ender man sannsynligvis opp med å velge klarest mulig glass.

Det samme hvis man kombinerer dagslysanalysene med en standardisert overskyet himmel (ved å bruke metoden for å beregne gjennomsnittlig dagslysfaktor), eller ved å lage en analyse basert på været gjennom et helt år.

Klart glass vil, i teorien, fungere bra så lenge man bruker effektiv solskjerming for å senke g-verdien til et akseptabelt nivå for å unngå overoppheting.

Illustrasjon av solskjerming i Torslandaskolen
Senario hvor det ikke er behov for solskjerming (man tar kun hensyn til krav om dagslystilgang).

Reell ytelse

Illustrasjon av solskjerming i Torslandaskolen
De røde områdene viser forekomstene der man benytter solskjerming på grunn av risiko for overoppheting. De gule områdene viser risiko for blending. Under disse forholdene er det lite utsikt, og mørkt innendørs. Merk at hver gang man har muligheten til å slippe inn store mengder med godt dagslys her, blokker man det i stedet.

Når man skal finne den optimale kombinasjonen av glass og solskjerming må man ta hensyn til andre faktorer enn kun dagslystilgang.

For høy soleksponering som kan føre til potensiell overoppheting kan bidra til at man bruker for mye solskjerming. (I dette tilfellet innvendig solskjerming med en Openness Factor på 5%.) Dette vil få konsekvenser både for dagslysinngang og utsikt.

Røde og gule områder indikerer når det er behov for solskjerming.

De røde områdene viser forekomstene der man benytter solskjerming på grunn av risiko for overoppheting. De gule områdene viser risiko for blending. Under disse forholdene er det lite utsikt, og mørkt innendørs. Merk at hver gang man har muligheten til å slippe inn store mengder med godt dagslys her, blokker man det i stedet.

 

Det er betydelig bruk av innvendig solskjerming  for å kontrollere solinnstråling og blending. Dette påvirker både dagslysinngang og utsikt.

 

Optimal ytelse

Illustrasjon av solskjerming i Torslandaskolen
Det er en stor fordel å kunne redusere de røde og gule områdene. Selv om dagslysnivåene i klasserommene
reduseres noe, begrenses behovet for å stenge av både lys og utsikt ved bruk av innvendig solskjerming. Dette designet gir et lineært forhold mellom forholdene innendørs og utendørs hele året, og vil øke brukernes trivsel.

Når vi integrerer de faste, utvendige installasjonene kan vi konkludere med følgende:

  1. Dagslysnivåene i ettermiddags-timene reduseres (som forventet), og
  2. Bruk av innvendig solskjerming begrenses til 5 % av okkupert tid.

Det er en stor fordel å kunne redusere de røde og gule områdene. Selv om dagslysnivåene i klasserommene reduseres noe, begrenses behovet for å stenge av både lys og utsikt ved bruk av innvendig solskjerming. Dette designet gir et lineært forhold mellom forholdene innendørs og utendørs hele året, og vil øke brukernes trivsel.

Innendørs solskjerming vil bli brukt i 5 % av okkupert tid til å kontrollere soleksponering og blending. Dette gir fordelen av gode dagslysforhold og utsikt.

Kombinere passive og aktive strategier i glassbroen

Tidlig i prosessen kom LINK med innspill om bruk av solcellepaneler i mellombygningen som binder de to hovedbygningene sammen, den såkalte glassbroen. Disse skulle ha to funksjoner; (a) praktisk ved å produsere energi, og (b) pedagogisk ved å øke elevenes miljøbevissthet.

PLASSERING AV SOLCELLEPANELENE

For å realisere denne visjonen på en optimal måte identifiserte man to bruksmåter for solcellene;
(a) produsere mye strøm til bygget, og (b) siden solcellene er lystette elementer kan de også bidra som en del av solskjermingen, og med dette bidra til et godt inneklima (Figur 5).

Illustrasjon av solskjerming i Torslandaskolen
Figur 5

Det neste man måtte finne ut av var hvor solcellene skulle plasseres, og med hvilken tetthet (Figur 8).

Inform Design måtte finne den riktige balansen mellom arkitektonisk hensikt, utsikt og dagslysinngang.

Inform Design kartla områdene av fasaden med høy soleksponering i løpet av året. Der-etter brukte man værstatistikk som viste når soleksponeringen under skyfri himmel var sterkest, og overlappet disse to områdene (Figur 6).

Illustrasjon av solskjerming i Torslandaskolen
Figur 6

På denne måten fant man frem til de områdene som både vil gi størst strømproduksjon, samtidig som de også har størst behov for solskjerming (Figur 7).

Illustrasjon av solskjerming i Torslandaskolen
Figur 7

Tverrfaglighet

– Hensikten med den jobben vi utfører er å komme frem til et sett løsninger som er i tråd med den arkitektoniske hensikten og bygningens ytelseskrav. Jo tidligere i prosessen ingeniører samarbeider med arkitektene, desto bedre grunnlag får arkitektene for å komme fram til det beste løsningene på et tidlig tidspunkt, sier Harris Poirazis i Inform Design.

Under dette arbeidet blir det først satt mål for ytelse og kvalitet, og gjennom sofistikerte metoder finner man frem til enkle og effektive løsninger. Ofte spesialutvikles tester for best mulig å finne frem til de ønskede kriteriene.

I eksempelet med Torslandaskolen gav et tett samarbeid mellom LINK Arkitektur og Inform Design både mulighet til å identifisere løsninger og potensial for solskjerming kombinert med strømproduksjon.

– Tverrfaglighet og samarbeid på et tidlig tidspunkt er både smart og kostnadsbesparande. Det finnes mange eksempler på det motsatte, at man må foreta endringer enten sent i designprosessen, eller etter at prosjektet er ferdigstilt, sier Poirazis, og fortsetter:

– Må man få på plass løsninger for f.eks. solskjerming etter at designprosessen er ferdig, eller bygget er ferdigstilt, kan man ende opp med komplekse løsninger, eller ad-hoc løsninger, som går ut over både design og kostnadsrammer, avslutter han.

LES OGSÅ: Karlbergs Strand: Hvordan få kontroll på solstråling og dagslys

Siste innlegg

Foto av interiør i tomannsbolig

Nominerte til glassprisen 2021

Tidsskriftet Glass & Fasade og Glass og Fasadeforeningen deler ut «Glassprisen 2021» på Bygg Reis Degs hovedscene torsdag 21. oktober. Nominasjonskomiteen fikk inn 14...