Do górnych warstw atmosfery dociera promieniowanie słoneczne o natężeniu 1 366 W/m². Tym samym do atmosfery dociera ok. 174 petawatów mocy, przy czym aż 30% promieniowania jest natychmiastowo odbijana od jej powierzchni a kolejne 20% jest przez nią pochłaniane. Tym samym do Ziemi dociera około 89 petawatów energii słonecznej rocznie. W konsekwencji kształtu Ziemi wartość mocy docierającej do jej powierzchni nie jest rozłożona równomiernie i zależy od kąta padania światła oraz cyklu dobowego.
Stąd w regionach bliskich równikowi dociera 2 500 kWh/m², w krajach skandynawskich ok. 600 kWh/m².
Spośród całej energii słonecznej docierającej do powierzchni Ziemi zaledwie 0,1% jest przetwarzane przez rośliny w procesie fotosyntezy. Natomiast ludzie wykorzystują jedynie 0,02% mocy promieniowa-nia słonecznego. Energia słoneczna zawarta jest we wszystkich innych formach energii. Promieniowanie słoneczne powoduje przemieszczanie się mas powietrza dzięki czemu możliwe jest pozyskiwanie energii z elektrowni wiatrowych. Energia słoneczna wpływa na ruchy oceanów co wraz z energią wiatru pozwa-la pozyskiwać energię fal. Natomiast najwięcej energii słonecznej zostało zmagazynowane we wszelkich kopalinach. Rośliny wykorzystały promieniowanie słoneczne do budowania biomasy oraz pożywienia dla zwierząt. Szczątki obumarłych rośliny i zwierząt po milionach lat przekształcone zostały w paliwa kopalne takie jak węgiel, rapa naftowa, gaz ziemny. Energia zawarta w tych surowcach jest podstawą współczesnego funkcjonowania człowieka na Ziemi. Szacuje się, że wszystkie istniejące na Ziemi złoża zawierają łącznie około 430 ZJ energii. Wartość ta odpowiada wartości promieniowania docierającej ze Słońca do Ziemi w ciągu zaledwie 56 dni. Energia słoneczna pochłonięta przez powierzchnię kuli ziem-skiej jest przekształcana w ciepło i emitowana w postaci promieniowania podczerwonego w kosmos.
W Polsce średnie roczne napromieniowanie wynosi 1100 kWh/m² i w zależności od regionu kraju wynosi od 950 do 1250 kWh/m². W Polsce w promieniowaniu całkowitym przeważa promieniowa-nie rozproszone, stanowiące około 55% całkowitego promieniowania słonecznego. Udział promie-niowania rozproszonego zmienia się w poszczególnych miesiącach w Grudniu osiąga maksimum 75-80%. Promieniowanie bezpośrednie tylko latem stanowi więcej niż 50% promieniowania całkowitego.
Istotnym parametrem opisującym warunki nasłonecznienia jest usłonecznienie, wyrażające liczbę go-dzin w danym przedziale czasu z widoczną tarczą słoneczną. W kraju usłonecznienie roczne waha się w zakresie 1400 - 1600 godzin.
47. Analiza przeprowadzona na podstawie publikacji:
· Dorota Chwieduk, 2011, Energetyka słoneczna budynku,
· Władysław Korzeniew-ski, 2011, Projektowanie mieszkań
· Rozporządzenie Ministra In-frastruktury z dnia 12 kwiet-nia 2002 r. w sprawie wa-runków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie
· Wikipedia - Energetyka słoneczna
II
Polskie prawodawstwo odnoszące się do wznoszenia budynków nie przewiduje żadnych norm czy wskazówek projektowych odnoszących się pozyskiwania energii słonecznej w strukturach zabudowa-nych. Normuje się jedynie minimalny dostęp światła słonecznego docierającego do wnętrz użytkowych i mieszkalnych. Nasłonecznienie i oświetlenie wnętrz budynków regulowane jest przez: „Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. W sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowia-dać budynki i ich usytuowanie”.
Jak napisano w §13.1 „Odległość budynku mającego pomieszczenia przeznaczone na pobyt ludzi od innych obiektów powinna umożliwiać naturalne oświetlenie tych pomieszczeń (…)”. Zgodnie z rozporządzeniem uznaje się ten warunek za spełniony jeśli :
„między ramionami kąta 60°, wyznaczonego w płaszczyźnie poziomej, z wierzchołkiem usytuowanym w we-wnętrznym licu ściany na osi okna pomieszczenia przesłanianego, nie znajduje się przesłaniająca część tego samego budynku lub inny obiekt przesłaniający, w odległości mniejszej niż:
- wysokość przesłaniania - dla obiektów przesłaniających o wysokości do 35 m - 35 m - dla obiektów przesłaniających o wysokości ponad 35 m.”
Odległości te mogą być jednak zmniejszane aż o połowę w przypadku zabudowy śródmiejskiej, uzupełniającej.
Dodatkowo rozporządzenie reguluje minimalne doświetlenie pomieszczeń przeznaczonych na pobyt ludzi:
„§ 60. 1. Pomieszczenia przeznaczone do zbiorowego przebywania dzieci w żłobku, przedszkolu i szkole, z wyjątkiem pracowni chemicznej, fizycznej i plastycznej, powinny mieć zapewniony czas nasłonecznienia co najmniej 3 godziny w dniach równonocy (21 marca i 21 września) w godzinach 8.00 - 16.00, natomiast pokoje mieszkalne - w godzinach 7.00 - 17.00.”
Także w tym przypadku istnieje odstępstwo od powyższej zasady w zabudowie śródmiejskiej gdzie do-puszcza się ograniczenie wymaganego czasu nasłonecznienia do 1,5 godziny, a w odniesieniu do miesz-kania jednopokojowego w takiej zabudowie nie określa się wymaganego czasu nasłonecznienia.
Istniejące przepisy są w opinii autora niewystarczające. Szczególnie szkodliwe jest zbyt duże zmniej-szenie wymagań w stosunku do zabudowy śródmiejskiej. Zapisy te są nadużywane przez dewelo-perów co zaobserwować możemy analizując zabudowę miast powstałą po przemianach gospodar-czych w Polsce w latach 90-tych. Brak odpowiedniego prawodawstwa, standardów urbanistycznych, wykorzystują deweloperzy, dążący do maksymalizacji zysków, bez ponoszenia odpowiedzialności za jakość budowanej tkanki miejskiej. Liczne nadużycia doprowadziły do katastrofalnego regresu do-stępu do oświetlenia naturalnego, powierzchni zielonych, przestrzeni publicznych a zatem jakości życia mieszkańców. Brak także refleksji nad całokształtem zagospodarowania miast.
Obecnie występuje całkowity brak jakichkolwiek warunków prawnych, ustaleń, zaleceń projektowych odnośnie kształtowania brył budynku i jego helioaktywnych i heliopasywnych elementów. Dotyczy to nie tylko kształtowania bryły budynku czy kształtowania zabudowy urbanistycznej ale również aspek-tów energetycznych obiekaspek-tów. Jak pisze Dorota Chwieduk:„Na podstawie danych normowych projektant nie może ocenić, czy dążąc do zwiększenia zysków cieplnych z promieniowania słonecznego w zimie, nie spowodu-je przegrzewania części pomieszczeń szczególnie wystawionych na operację słoneczną w miesiącach letnich.”
Badania przeprowadzone w tej pracy mają w zamierzeniu autora przyczynić się do rozpoczęcia prac i dyskusji nad zasadami, kształtującymi zabudowę miejską w taki sposób by możliwe było nie tyl-ko spełnianie minimalnych wartości oświetlenia wnętrz ale także tyl-konwersji energii słońca na rzecz mieszkańców miast.
II
Podsumowanie
Rozdział II niniejszej pracy jest syntezą wiedzy zdobytej podczas analizy literatury. Dla poszczególnych opisywanych fragmentów opracowano wnioski. Ich treść wpłynie na sposób kształtowania modeli przestrzennych badanych w III Rozdziale pracy. Do większości uzyskanych w ten sposób argumentów pozwalających kształtować zabudowę „solarną” autor podchodzi z entuzjazmem. Żywi się nadzieję ze zastosowanie znalezionych reguł umożliwi budowanie struktur o wysokiej wydajności w pozyskiwaniu energii słonecznej. Nie zmienia to jednak faktu, iż znalezione mechanizmy należy szczegółowo zwery-fikować. Wymaga to badań porównawczych z uwzględnieniem konkretnej lokalizacji geograficznej oraz odpowiadających jej warunków klimatycznych.
By w pełni zrozumieć wnioski płynące z powyżej opisanych badań, należy zwrócić szczególną uwa-gę na ich zakres przestrzenny. Omówione teorie mogą być nieadekwatne dla innych szerokości geo-graficznych, niż założone w badaniach. Większość przytaczanych naukowców, przyjmuje lokalizację geograficzną miejscowości w których mieszka i pracuje. Szerokie spektrum zacytowanych testów skutkuje zróżnicowaniem lokalizacji.
W analizie omówiono min. dokonania antycznych budowniczych miast takich jak Priene, Milet, Olint48 (szerokość geograficzna 38°N). Ważnym przykładem jest forma zabudowy dzielnicy Barcelony Eixample49 projektu Ildefonsa Credy (szerokość geograficzna 41°N). Ogromny wpływ na kształt dyser-tacji ma teoria Ralpha L. Knowelsa, wnioski z jego badań badań aplikowane były w środowisku klima-tycznym Kalifornii, Los Angeles50 (szerokość geograficzna 34°N). Współczesnym badaczem wydajnych energetycznie form urbanistycznych jest Ahmad Okeil. Badacz jest autorem serii wytycznych pod na-zwą Residential Solar Block51. Badanie wydajności tkanki miejskiej zbudowanej na tych zasadach ich autor umiejscowił w szerokości geograficznej 48°N.
Z powyższych przykładów widać wyraźnie, że większość dotychczasowych doświadczeń konstruo-wania miast solarnych, koncentruje się w zakresie 34° - 48° szerokości geograficznej. Są to zatem miejsca o bardzo dobrych warunkach nasłonecznienie. W niniejszej pracy bada się natomiast możli-wości wydajnego pozyskiwania energii słonecznej w Poznaniu, którego lokalizacja to 52°N. Niewiele jest badań i prób, które przeprowadzano dla takiej właśnie szerokości geograficznej.
W pracy opisywane są badania prof. Doroty Chwieduk52. Poświęca ona wiele uwagi, znalezieniu opty-malnego kąta odchylenia i azymutu instalacji słonecznych. Badania prowadzi dla szerokości geograficz-nej Warszawy 52°N. Niezwykle szeroko przestrzennie, zakrojone są badania, przeprowadzone przez min. Thomasa Hulda, Marcela Suri, Irene Pinedo-Pascua. Na zlecenie Komisji Europejskiej pracowali oni wspólnie w ramach programu PVGIS (Photovoltaic Geographical Information System)53. Efektami ana-liz są mapy informujące o nasłonecznieniu, potencjale energetycznym i odpowiednim kącie montażu instalacji solarnych dla obszaru całej Unii Europejskiej. A zatem są to badania w zakresie współrzędnych geograficznych 36°N - Gibraltar, Hiszpania - 68°N Helsinki, Finlandia.
Prócz lokalizacji geograficznej dla której prowadzone były cytowane badania krytycznej ocenie na-leży poddać także niektóre z zaproponowanych przez naukowców wytycznych. Nie wszystkie po-stulaty zawarte w powyższych analizach można uznać za bezwzględnie słuszne. Autor postanowił w trakcie badań porównawczych opisanych w III Rozdziale pracy, zweryfikować słuszność wniosków wynikających z badań innych naukowców. Może się bowiem okazać, że dla lokalizacji geograficznej i klimatu Poznania nie można zastosować wszystkich reguł sugerowanych przez wcześniejsze doświadczenia.
48. Stanisława Wehle-Strze-lecka, 2004, Architektura sło-neczna w zrównoważonym śro-dowisku mieszkaniowym
49. Kris De Decker, 2012, The solar envelope: how to heat and cool cities without fossil fuels
50. Ralph L. Knowels, 1981, Sun Rythm Form
51. Ahmad Okeil, 2010, A holi-stic approach to energy efficient building forms
52. Dorota Chwieduk , 2011, Energetyka słoneczna budynku 2011
53. Thomas Huld, Marcel Suri, Irene Pinedo-Pascua, 2011, PVGIS Geographical As-sessment of Solar Resource and Performance of Photovol-taic Technology, http://re.jrc.
ec.europa.eu/pvgis/
II
Ilustracja _II_2_21a Struktura zabudowy wymo-delowana przy zastosowa-niu metody „Solar Envelope”
opracowanej przez Ralpha Knowelsa.
[opracowanie własne w pro-gramie Sketchup]
poniżej:
Ilustracja _II_2_21b Analiza nasłonecznienia - ba-danie dostępu światła sło-necznego w godzinach 8.00 - 16.00 wokresie całego roku.
[opracowanie własne w pro-gramie Autodesk Ecotect]
II
Tak jest min. w przypadku teorii proponowanej przez Ralpha Knowelsa. Jego metodę „Solar Envelope”
autor przebadał jako jedno z pierwszych doświadczeń III etapu pracy. Wnioski niestety nie są zadowa-lające. Autor wykorzystał metodę opracowaną przez Knowelsa do wymodelowania tkanki adekwatnej do położenia geograficznego Poznania leżącego na 52 równoleżniku. Niestety model w ten sposób uzyskany ma wiele cech negatywnych. By moc właściwie ocenić jego właściwości model zbudowano i przebadano tak jak wszystkie pozostałe obiekty opisywane w III części niniejszej pracy. Badana „prób-ka ma wymiary 300 x 300 m tj. 90 000 m². Budynki zajmują, aż 69% jej powierzchni tj. 62 100 m².
Pomimo tak ogromnej powierzchni zabudowy ich kubatura wynosi jedynie 184 211 m³. Dla porównania przy tej samej powierzchni działki w pozostałych modelach opisywanych w tej pracy średnia kubatura wynosi 297 000 - 330 000 m³. Co gorsze zastosowana metoda kształtuje płaszczyzny „koperty sło-necznej’ w oderwaniu od optymalnego kąta umożliwiającego konwersję energii słonecznej. Sprawia to, że największą powierzchnię mają płaszczyzny zwrócone na północ, oraz północny zachód i północny wschód. Co więcej płaszczyzna obiektu prostopadła do południa ma znikomą powierzchnię i ustawiona jest niemal pionowo co zmniejsza wartość energii słonecznej do niej docierającej. Wysokość maksymal-na wynosząca jedynie 8 m oraz kształt obudowy budynku, właściwie wykluczają jakiekolwiek racjomaksymal-nal- racjonal-ne wykorzystanie kubatury obiektów. Poza tym duża powierzchnia rzutu powoduje, że tylko znikoma część bryły miała by dostęp do światła słonecznego. Jedynym uzyskanym dzięki zastosowanej metodzie pozytywnym efektem jest całkowite wykluczenie cieni rzucanych przez obiekt. W zadanym zakresie cza-sowym budynek ich nie rzuca. Podsumowując opisana powyżej metoda „Solar Envelope” niestety nie może być wykorzystana w warunkach geograficznych Poznania.