MIKROKLIMAT ULICY A KSZTAŁT ZABUDOWY

Charakterystyka mikroklimatu ulicy zależy od jej geometrii. Znawcy klimatologii posługują się pojęciem kanionu ulicznego. Charakteryzuje go współczynnik wyrażają-cy proporcję wysokości budynków w stosunku do odległości między nimi: H/S.

2.1. WARUNKI NASŁONECZNIENIA I TEMPERATURA

Na terenach zabudowanych, w przeciwieństwie do terenów otwartych, jedynie część promieniowania słonecznego ulega odbiciu lub wypromieniowaniu do atmosfe-ry. Pozostała część jest akumulowana w powierzchniach: utwardzonym podłożu oraz ścianach i dachach budynków. Rozkład energii słonecznej jest uzależniony od orienta-cji ulicy względem stron świata i współczynnika H/S.

Przykładowy rozkład promieniowania podaje Tim Oke, na podstawie analizy na-słonecznienia ulicy w Vancouver w Kanadzie, położonej na osi północ–południe, o współczynniku H/S = 0,9 [9]. Według przytoczonych badań, ok. 60% promieniowa-nia w godzinach południowych trafiło jako ciepło do przestrzeni w obrębie kanionu, 30% zostało zakumulowane w powierzchniach, a 10% zostało zniwelowane przez parowanie powierzchni. Największa część energii cieplnej trafiła na podłoże oraz do górnych stref przestrzeni, mniejsza na ściany budynków. Ściana wschodnia została poddana najintensywniejszemu promieniowaniu w godzinach porannych. Zauważalny,

IV. Uwarunkowania energetyczne budynków tworzących ulicę miejską 43

choć mniejszy wzrost odnotowano popołudniu. Spowodowany był promieniowaniem odbitym od przeciwległej ściany. Na ścianie zachodniej rozkład był analogiczny, ale w odwrotnych porach dnia. Na podłożu i w górnej warstwie powietrza szczyt promie-niowania nastąpił w godzinach południowych.

Rozkład energii promieniowania słonecznego jest ściśle uzależniony od głębokości kanionu ulicznego. Im głębszy kanion, tym bardziej nierównomiernie jest ona dystry-buowana. Zależności te analizował Anthony J. Arnfield. Porównał on wartości pro-mieniowania docierające do różnych stref kanionu ulicznego w zależności od parame-tru H/S (uwzględnił wartości H/S = 0,25, 0,5, 1, 2, 3 i 4), orientacji ulicy (na osi północ–południe i wschód–zachód) oraz szerokości geograficznej [2].

Z punktu widzenia gospodarki energetycznej budynków, najbardziej interesujące są zależności dotyczące promieniowania padającego na ich ściany. Generalnie, im głębszy kanion uliczny, tym mniej promieniowania do nich dociera. Według Arnfielda dla sze-rokości geograficznej Polski, w czerwcu, ściany ulicy o współczynniku H/S = 0,25 poło-żonej na osi północ–południe, otrzymują czterokrotnie więcej promieniowania niż ściany ulicy przy H/S = 4. Dla prostopadłej ulicy różnica jest około dwukrotna. Im głębszy profil, tym mniejsze znaczenie ma orientacja ulicy. Dla H/S o wartości 2, 3 i 4 promie-niowanie jest zbliżone dla obu rozważanych orientacji. Płytsze kaniony (H/S ≤ 1) są bardziej „wrażliwe” na zmianę orientacji. Ściany eksponowane na wschód i zachód przyjmują sumarycznie więcej energii promieniowania słonecznego niż ściany ulicy prostopadłej. Zimą orientacja ulicy nie wpływa wyraźnie na insolację ścian dla wszyst-kich badanych profili kanionu.

Rozkład promieniowania słonecznego w przestrzeni ulicy wpływa na jej charakte-rystykę termiczną. Latem temperatura panująca wewnątrz kanionu ulicznego jest wy-raźnie wyższa niż w strefie ponad dachami. Największe różnice występują nocą w głębokich kanionach, gdy ciepło zakumulowane w powierzchniach oddawane jest do atmosfery. Zimą różnice są nieznaczne.

Przestrzeń ulicy podlega także zróżnicowaniu termicznemu w tym samym czasie. W przypadku nasłonecznionych ulic występują różnice temperatur powietrza i po-wierzchni. Temperatura powierzchni poddawanej bezpośredniemu promieniowaniu może być nawet do 10 °C wyższa niż powietrza, podczas gdy ściana zacieniona może być o kilka stopni od niego chłodniejsza. W przypadku głębokich kanionów ulicznych znacznemu zróżnicowaniu podlega temperatura ścian przeciwległych (nawet do 20 °C, przy orientacji ulicy wschód–zachód) oraz stref dolnych i górnych tej samej ściany, poza północną [1].

2.2. PRZEPŁYW WIATRU

Cyrkulacja powietrza w przestrzeni ulicy ma znaczenie zarówno dla komfortu jej użytkowników, jak i charakterystyki energetycznej budynków. Istotne jest, by wiatr pozwalał na wymianę powietrza w kanionie ulicznym i chronił go przed letnim

prze-K. ZIELONKO-JUNG 44

grzewaniem. Jednak jego prędkość nie powinna być zbyt duża, zwłaszcza w okresach zimnych, ze względu na dyskomfort przechodniów i zwiększanie potrzeb grzewczych budynków. Według Katarzyny Klemm, niewystarczająca wentylacja występuje przy temperaturze 25 °C i prędkości poniżej 3 m/s, zaś potrzeba ochrony przed wiatrem, gdy temperatura jest niższa niż –5 °C, a prędkość przekracza 1 m/s [8].

Proces wymiany powietrza w obszarze kanionu ulicznego, podobnie jak w przy-padku nasłonecznienia, zależy od parametru H/S, szczególnie, gdy wiatr wieje prosto-padle do osi ulicy. Jej przestrzeń można podzielić na dwie strefy cyrkulacji: strefę recyrkulacji i wentylacji [3, 6]. Ta pierwsza znajduje się przy zawietrznej ścianie bu-dynku, w strefie podciśnienia. W jej obrębie powietrze wiruje w sposób pokazany na rys. 1. Strefa wentylacji znajduje się przy ścianie nawietrznej przeciwległego budyn-ku. Powietrze z górnych stref wnika do kanionu, by unieść się ku górze (rys. 1a). W miarę zmniejszania szerokości ulicy, obszar wentylacji zmniejsza się (rys. 1b). Poniżej pewnej wartości krytycznej następuje całkowity brak wentylacji, a powietrze podlega zamkniętemu ruchowi wirowemu (rys. 1c). Wówczas w przestrzeni ulicy zalega zanieczyszczone, nagrzane powietrze, tworzy się mgła. Wentylowanie natural-ne budynków jest nieskutecznatural-ne.

Rys. 1. Schemat cyrkulacji powietrza w przestrzeni ulicy przy wiatrach prostopadłych; strefa recyrkulacji zaznaczona kolorem szarym, oprac. własne na podstawie [3, 6]

Precyzyjne określenie optymalnych proporcji wymiarów przekroju ulicy ze wzglę-du na warunki aerodynamiczne, nie jest możliwe, gdyż kształt zabudowy w dalszym otoczeniu – unikatowy dla każdej sytuacji – zmienia charakterystykę wiatru. Szacun-kowe przedziały wskazanych wartości H/S, podawane przez poszczególnych autorów

IV. Uwarunkowania energetyczne budynków tworzących ulicę miejską 45

nie pokrywają się, ale analizując je można przyjąć, że gdy współczynnik ten jest mniejszy niż 0,37, przy wiatrach prostopadłych do ulicy występuje intensywna wy-miana powietrza, a gdy jest większy niż 0,74, powietrze nie ulega wymianie [11].

Ważne są także inne cechy przestrzenne zabudowy, np. zróżnicowanie wysokości budynków, ciągłość pierzei elewacyjnych, bramy i podcięcia, formy dachów. Na przykład „szczelnie” zabudowane ulice o współczynniku H/S ≥ 0,33 tworzą kanały zasysające strumienie powietrza (efekt wąskiego kanału). Przewężenia ulicy powodują gwałtowne przyspieszenia wiatru (efekt dyszy). Pojedyncze obiekty o znacznie więk-szej wysokości niż zabudowa sąsiednia, wywołują z kolei pionowy ruch powietrza (efekt wiru spływającego) [4]. Choć zjawiska te bywają uciążliwe dla przechodniów, mogą korzystnie intensyfikować wymianę powietrza w strefach zastoju.

3. ROZWIĄZANIA OBNIŻAJĄCE ZAPOTRZEBOWANIE NA ENERGIĘ