KSZTAŁTOWANIE ZABUDOWY MIESZKANIOWEJ W

KSZTAŁTOWANIE ZABUDOWY MIESZKANIOWEJ WCELU OPTYMALIZACJI POZYSKIWANIA ENERGII SŁONECZNEJ

praca doktorska

doktorant: mgr inż. arch. Tomasz Piwiński, Uniwersytet Artystyczny wPoznaniu Wydział Architektury iWzornictwa, Katedra Architektury iUrbanistyki

promotor: dr hab. inż. arch. Radosław Barek, Politechnika Poznańska Wydział Architektury iUrbanistyki

Poznań, lipiec 2015

„Ekologiczne miasto jest jak system ożywiony, który nigdy nie jest statyczny. Wykazuje się tymi samymi cechami co żywe organizmy, ewoluując w czasie. Jego umiejętność do adaptacji zapewnia mu przetrwanie. Wsymbiotycznej relacji znaturą iklimatem jego energia pochodzi wgłównej mierze zpobliskich źródeł naturalnych, zwiększając tym samym ich autonomiczność. Koncepcja ta wykorzystuje sztukę projektowania form urbanistycznych do tworzenia żywych organizmów, zamiast miast maszyn”

Serge Salat; Cities and Forms

SPIS TREŚCI skrócony

UKŁAD PRACY 7

ROZDZIAŁ I. WPROWADZENIE 8

I_1 STAN BADAŃ 9

I_2 UZASADNIENIE PODJĘCIA TEMATU 14

I_3 PROBLEM NAUKOWY 15

I_5 CELE BADAWCZE 17

I_4 TEZA PRACY 19

I_5 ORYGINALNOŚĆ PODJĘTEJ TEMATYKI 19

ROZDZIAŁ II. STAN BADAŃ 22

II_1 ANALIZA TENDENCJI 23

II_1.1 Problemy związane z rozwojem cywilizacyjnym 23

II_1.2 Współczesne tendencje w budownictwie 27

II_1.3 Współczesne tendencje w planowaniu przestrzennym 29

II_1.4 Nowości technologiczne w zakresie konwersji energii słonecznej 34

II_1.5 Architektura energooszczędna. 45

Prezentacja zrealizowanych budynków, wykorzystujących energię słońca 45

II_1.6 Urbanistyka bioklimatyczna. 57

Prezentacja założeń pozyskujących energię promieniowania słonecznego 57

I_2 ANALIZA BADAŃ - ARCHITEKTURA IURBANISTYKA BIOKLIMATYCZNA 69

II_2.1 Priene, Milet, Olint - starożytne miasta greckie -

forma i detale zabudowy mieszkaniowej a bierne pozyskiwanie energii słonecznej. 70 II_2.2 Eixample - historyczna tkanka urbanistyczna Barcelony

w kontekście dostępu do światła słonecznego. 74

II_2.3 SolarEnvelope - zasady stosowania teorii Ralpha Knowelsa

i jej konsekwencje przestrzenne dla projektowanych układów zabudowy. 79 II_2.4 Composite Climatic Envelope - Kompozytowa Koperta Klimatyczna - zasady stosowania

teorii Marka DeKaya i jej konsekwencje przestrzenne w odniesieniu do teorii Solar Envelope 81 II_2.5 Residential Solar Block RSB - Słoneczny Blok Mieszkalny

- wieloaspektowe podejście do formy bioklimatycznej zabudowy mieszkaniowej 87 II_2.6 Optymalne rozmiary atriów zabudowy kwartałowej

- zasady i konsekwencje przestrzenne przy założeniu optymalizacji nasłonecznienia 91 II_2.7 Dostęp do światła słonecznego a powtarzalność

- przypadkowość wysokości budynków i odległości między nimi 94 II_2.8 Miasta bioklimatyczne oparte o zasady i strukturę budowy fraktali -

synteza badań Serga Salata 97

II_2.9 Przestrzeń urbanistyczna

- badania nad formą budynków w kontekście optymalizacji wykorzystania terenu 105

II_2.10 Optymalne kształtowanie obudowy budynku, celem montażu instalacji helioaktywnych -

zebranie wyników badań dla warunków klimatycznych Polski 109

II_2.11 Metody konwersji energii słonecznej. 116

I_2.12 Polska - warunki nasłonecznienia, obowiązujące prawodawstwo 117

II_3 ANALIZA BADAŃ - ŚWIAT ROŚLIN IZWIERZĄT 122

II_3.1 Świat roślin - fizjologia i zachowanie zapewniające optymalizację pozyskiwania energii 122 II_3.2 Świat zwierząt - fizjologia i zachowanie zapewniające optymalizację pozyskiwania energii 130 II_3.3 Reguły przestrzenne w budowie roślin, zwiększające potencjał

pozyskiwanej energii słonecznej 136

ROZDZIAŁ III. OPIS PRZEPROWADZONYCH BADAŃ 139

III_1 PRZEDMIOT BADAŃ 141

III_2 METODYKA BADAŃ 142

III_3 OGRANICZENIA ZAKRESU BADANIA ORAZ ICH UZASADNIENIE 142

III_4 ZAKRES CZASOWY BADANIA 143

III_5 ZAKRES PRZESTRZENNY BADANIA 149

III_6 UŻYTE OPROGRAMOWANIE 150

III_7 INTERFEJS PROGRAMU 152

III_7.1 Interfejs programu - baza danych pogodowych 152

III_7.2 Interfejs programu - procedura badania 155

III_7.3 Interfejs programu - czynniki badania 157

III_8 WYNIKI BADAŃ – OMÓWIENIE WZORU TABELI PORÓWNAWCZEJ

ORAZ KRYTERIÓW OCENY WYNIKÓW BADAŃ 159

III_9 OPIS PRZEPROWADZANYCH BADAŃ 165

III_9.1 Miasto Poznań - badanie fragmentów istniejącej zabudowy mieszkaniowej 165 III_9.2 Wzorcowe modele zabudowy miejskiej - porównanie wydajności

w pozyskiwaniu promieniowania słonecznego 182

III_9.3 Poszukiwanie optymalnych modeli zabudowy, opartych o rzuty

na planach figur podstawowych. 185

III_9.4 Figury podstawowe - badania porównawcze brył na rzucie typowych figur płaskich. 219 III_9.5 Poszukiwanie zależności przestrzennych wpływających na nasłonecznienie i zacienianie 239

III_9.6 Badania porównawcze 252

Zabudowa oparta o plan trójkąta, prostokąta, lancety 252

III_9.7 Odległości między budynkami tego samego szeregu 269

III_9.8 Badania porównawcze budynków na planie trójkąta 274

III_9.9 Badania porównawcze - Zabudowa dziedzińcowa 287

III_9.10 Wzory zabudowy oparte o fraktale 305

III_9.11 Porównanie trzech najlepszych rozwiązań 314

III_9.12 Model zabudowy generowany przy użyciu wzoru parametrycznego 319

ROZDZIAŁ IV. PODSUMOWANIE IWNIOSKI 323

IV_1 WNIOSKI ZPRZEPROWADZONYCH ANALIZ 325

IV_2 SPEŁNIENIE CELÓW BADANIA 332

IV_3 SZCZEGÓŁOWE ZALECENIA PROJEKTOWE ZALEŻNE OD FORMY RZUTU 342

IV_4 UWAGI KRYTYCZNE 351

V_5 WYZNACZENIE CELÓW WKONTYNUACJI BADAŃ 353

BIBLIOGRAFIA 354

SPIS TREŚCI szczegółowy 376

ROZDZIAŁ V. WYNIKI BADAŃ 383

V_1 TABLICE WYNIKÓW 385

UKŁAD PRACY

ROZDZIAŁ I WPROWADZENIE

Jest wprowadzeniem w tematykę, uzasadnieniem jej podjęcia. Opisano stan badań i ich problematykę.

Wyznaczono tu także tezę i cele badania.

ROZDZIAŁ II STAN BADAŃ

Jest opisem stanu wiedzy w wiodącej dziedzinie badania oraz jej pochodnych. Zawarto w niej opis szere- gu tendencji dotyczących architektury i urbanistyki bioklimatycznej. Opisuje się też szereg zrealizowanych budynków, eko-osiedli jako przykład zastosowania różnych strategii w uniezależnianiu się zabudowy od zewnętrznych źródeł energii. Autor opisał także szereg badań nad nowymi obiecującymi technikami kon- wersji energii słonecznej. Ta część pracy ma zadanie udowodnić zasadność przeprowadzanych badań nad „słoneczną tkanką urbanistyczną”. Jedną z najistotniejszych części tego fragmentu jest przedstawie- nie szeregu badań i teorii z zakresu urbanistyki bioklimatycznej oraz przykładów ich aplikacji. Nie wpro- wadzano tu żadnych ograniczeń przestrzennych i czasowych.

ROZDZIAŁ III OPIS PRZEPROWADZONYCH BADAŃ

To najważniejszy i najbardziej obszerny fragment opracowania. Zawiera precyzyjny opis metodyki, ogra- niczenia i sposoby badania. Omawia chronologicznie przebieg wszystkich przeprowadzonych doświad- czeń i porównań. Poszczególne rozwiązania omówiono zwracając uwagę na przyjęte generalne założenia i główne cele badawcze. Opis badań porównywanych grup rozwiązań ma zwykle ten sam układ. Autor zaczyna od wyznaczenia precyzyjnych założeń dotyczących danego pojedynczego testu. Następnie po- jawia się szczegółowy opis otrzymanych wyników. Każdorazowo zakończony podsumowaniem, wyciąg- nięciem wniosków i próbą zastosowania ich w kolejnym teście.

ROZDZIAŁ IV PODSUMOWANIE I WNIOSKI

Rozdział stanowi podsumowanie pracy dysertacyjnej. Zawiera odpowiedź na postawione we wstępie tezy, weryfikuje spełnienie celów badania. W rozdziale zaprezentowano uzyskane efekty prowadzonych badań. Przedstawiono wypracowaną metodę projektowania. Opisano i zilustrowano zalecenia projekto- we mogące być podstawą projektowania tkanki urbanistycznej o wysokiej efektywności pozyskiwania energii słonecznej.

ROZDZIAŁ V TABELE WYNIKÓW BADAŃ

Rozdział zawiera tabele ze szczegółowymi wieloaspektowymi wynikami prowadzonych badań.

Analizowane modele zostały podzielone na grupy modeli związanych z sobą typologicznie bądź meryto- rycznie. Każda grupa zawiera zwykle 6 porównywanych z sobą modeli. Jedna tabela z wynikami opisuje daną grupę 6 modeli. Dodatkowo, tabeli wyników towarzyszą ilustracje z dwóch wybranych najbardziej charakterystycznych modeli w zestawieniu. Ilustracje prezentują stopień nasłonecznienia badanego mo- delu. Gradient kolorystyczny ukazuje wartość energii słonecznej docierającą do obiektów w ciągu roku.

Ilustracje prezentują także stopień zacieniania prezentowanych struktur w czterech kluczowych porach roku. Tablice z wynikami służyć mogą weryfikacji opisanych w tekście wyników. Mogą pozwolić na bardzo szczegółową analizę przeprowadzonych badań oraz skłaniać do wysnuwania własnych wniosków.

IIIIIIIIIIIII ROZDZIAŁ I. WPROWADZENIE IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII

I

I_1 Stan badań

Historia

Słońce zawsze odgrywało niezwykle istotną rolę w życiu człowieka jego wytworach, wierzeniach, kultu- rze i sztuce. Jednym z najważniejszych aspektów działalności człowieka jest kształtowanie środowiska wokół siebie w taki sposób by zapewnić bezpieczne, stabilne, komfortowe miejsce do życia i rozwoju.

Wznosząc budynki a nawet całe osiedla czy miasta, antyczni budowniczowie kształtowali je w od- niesieniu do lokalnych warunków klimatycznych oraz pozornej wędrówki Słońca po nieboskłonie. Na przestrzeni lat opracowano wiele strategii wiążących formę zabudowy z działaniem promieniowania słonecznego. Miało ono na celu głównie poprawę komfortu zamieszkiwania, warunków zdrowotnych.

„Otwieranie się na słońce było istotne z punktu widzenia higieny, ale też ze względu na potrzebę stworzenia mikroklimatu z połączenia światła słonecznego, wody oraz roślinności – «małego kosmosu» wyłącznie do dyspozycji mieszkańców” [Timm 1987].

Za przykład służyć może charakterystyczna struktura budynków i miast chińskich umożliwiająca kon- trolowanie dostępu światła dziennego do wnętrz [Perlin 2013]. W starożytnej Mezopotamii i Persji budynki konstruowano tak by umożliwić pasywne chłodzenie latem i ich ogrzewanie zimą. Wiszące ogrody w Babilonie czy tarasowe pola w Machu Pichu uwzględniały zapewnienie jak najlepszego do- stępu do światła słonecznego. Jak stwierdza Wehle-Strzelecka „Pomijając zorientowane na słońce obiek- ty kultu, celem zabiegów budowniczych każdej epoki było wprowadzanie lub też eliminowanie działania pro- mieni słonecznych w obiektach mieszkaniowych.” [Wehle-Strzelecka 2008]. Miasta orientowane w celu wykorzystania potencjału energii słońca budowali Grecy. Pirene, Milet, Olint, Delos są doskonałymi przykładami zabudowy o południowej ekspozycji w zwartym zespole urbanistycznym o dużej inten- sywności. Starożytny Rzym udoskonalił grecki model architektury słonecznej poprzez zastosowanie szkła. Okna stały się płaszczyznami pozyskującymi energię słoneczną. Witruwiusz w swym traktacie zaleca orientowanie budynków w stosunku do słońca. Omawia konieczność dostosowania architek- tury do warunków klimatu, szczególnie nasłonecznienia. Zainteresowanie energią słońca zapomniane w okresie Średniowiecza, powróciło dopiero w wieku XVI w postaci ogrzewanych energią słoneczną oranżerii. Rozwój podobnych rozwiązań kontynuowano w XIX w. pod postacią przydomowych ogrodów zimowych, które stały się ważnym elementem poprawy jakości życia, zdrowia i komfortu psychicznego.

Jednakże w XIX w. wraz z rozwojem przemysłu i technik produkcji energii w kształtowaniu architektury i urbanistyki powoli rezygnowano z rozwiązań powiązanych z miejscem i klimatem.

W XX wieku ponownie zwrócono uwagę na aspekt odpowiedniego doświetlenia budynków w kontekście zdrowia mieszkańców metropolii. Działania te podyktowane były krytyką miast rewolucji przemysłowej zanieczyszczonych, ciemnych i chorobotwórczych. Poszczególne państwa (Anglia, Niemcy) wprowadzi- ły wtedy prawodawstwo normalizujące dostęp do światła słonecznego w zabudowie mieszkaniowej.

Stosunkowo niedawno zwrócono uwagę, także na inny aspekt wykorzystania promieniowania sło- necznego a mianowicie jego aktywną konwersję na energię elektryczną lub cieplną. Współczesne badania nad technologiami przetwarzającymi energię słońca mają około 40-letnią historię. Ich za- początkowanie wiąże się z następującymi po sobie od lat 70-tych XX wieku kryzysami paliwowymi [Wehle - Strzelecka 2008]. Dzięki dotychczasowym odkryciom w tym zakresie, mamy do dyspozycji wielorakie technologie konwersji, znamy optymalne sposoby ich montażu

IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII

I

Badania współczesne

Charakter zabudowy miast współczesnych uzależniony jest całkowicie od produkcji energii w dużych elektrociepłowniach, często opalanych węglem, emitujących szereg niebezpiecznych zanieczyszczeń.

Dominująca obecnie struktura urbanistyczna, generuje konieczność podróżowania w obrębie miast sa- mochodem. Obserwujemy ich niekontrolowane rozszerzanie się, suburbanizację, wymuszającą ciągłą rozbudowę, drogiej w utrzymaniu i kłopotliwej środowiskowo infrastruktury drogowej. Współczesna praktyka projektowania urbanistycznego bardzo rzadko odnosi się do ekliptyki słońca. Pomimo ogrom- nego postępu technologicznego współczesne miasta nadal niestety projektowane są w sposób niewiele różniący się od podejścia XIX wiecznego.

Szereg badaczy zachodnio-europejskich i amerykańskich poszukuje obecnie rozwiązań bolączek współ- czesnych metropolii, powracając do idei odnoszenia układu tkanki urbanistycznej do wpływu i funkcji słońca. Prekursorem współczesnych badań jest Ralph L. Knowels z University of Southern California, który w latach 80’ wprowadził pojęcie „solar envelope”. Badał zależność formy architektonicznej na zacienianie i nasłonecznienie budynków sąsiednich. Rozwijając pomysły Knowelsa podobne badania prowadzą min. Guedi Capeluto, Abraham Yezioro, Edna Shaviv z Israel Institute of Technology. Zajmują się zależnością formy urbanistycznej na wzajemne zacienianie i nasłonecznianie budynków w kon- tekście urbanistyki Tel Avivu. Raphael Campagnon naukowiec z Engineering and Architecture School Fribourg, pracuje nad aplikacjami komputerowymi ułatwiającymi prowadzenie symulacji nasłonecznie- nia. Doświadczeniami nad penetracją światła słonecznego w mieście zajmuje się także Paul Littleefair, który także wprowadza do badań techniki cyfrowe. Badacze z Massachusetts Institute of Technology Carlo Ratti, Paul Richens oraz Eugenio Morello zajmują się analizą tkanki miejskiej pod względem możli- wości pozyskiwania energii. Dzięki zaawansowanym technikom komputerowym badają także przepływ informacji, energii i ludzi w mieście. W Polsce ekspertem w zakresie technologii słonecznych w kontek- ście architektury jest dr hab. inż. arch. Stanisława Wehle-Strzelecka z Politechniki Krakowskiej. Zajmująca się min. badaniami nad historią rozwoju architektury solarnej, współczesnymi tendencjami miast ekolo- gicznych, badaniami nad wykorzystaniem energii słońca w architekturze. Ogromny wpływ na omawianą dziedzinę ma prof. nzw. dr hab. inż. Dorota Chwieduk. W swej pracy koncentruje się na zagadnieniach energetycznych budynków w odniesieniu do możliwości biernego i aktywnego pozyskiwania energii sło- necznej. Problemy dotyczące zrównoważonego rozwoju miast w swoich pracach omawiają także min.

dr inż. arch Katarzyna Zielonko- Jung, Janusz Marchwiński. Niezwykle istotne są doświadczenia prowa- dzone przez Passivhaus Institut Darmstadt. Pomaga on urzeczywistniać budowę domów pasywnych, zero-energetycznych a nawet plus-energetycznych.

W kontekście prowadzonych współcześnie badań wymienić należy, także szereg projektów i ich reali- zacji takich jak np. budowa eksperymentalnego miasta Masdar City o zerowej emisji CO2. Podobnych inicjatyw budowy miast nisko energetycznych, pojawia się wiele min. Chińskie Tjanjin Eco City, Zero E-City, Dongtan-city. Jednakże są to struktury, których twórcy skupiają się głównie na zagadnieniach technicznych produkcji, przesyłu i zarządzania energią w mieście. Eksperymentalnymi projektami o in- nowacyjnej formie dostosowanej do lokalnych warunków klimatycznych są EuropaCity, Zira Islands pro- jektu duńskiego biura BIG. Znanym, zrealizowanym, współczesnym osiedlem, które zaprojektowano optymalizując pozyskiwanie energii słonecznej jest Solarcity Linz w Austrii. Obserwujemy także szereg różnorodnych inicjatyw związanych z popularyzacją konwersji energii słonecznej. Jednym z ciekawych przykładów jest aplikacja internetowa „MapDwell” umożliwiająca analizę nasłonecznienia dachów ist- niejącej struktury wybranych miast. Wskazuje ona płaszczyzny budynków, które w sposób optymalny nadają się do montażu instalacji fotowoltaicznej. Program umożliwia przewidywanie kosztów instalacji, zysków energetycznych, finansowych i środowiskowych wynikających z jej działania. Ciekawą, niezwykle

I

ważną inicjatywą jest także cykliczny konkurs Solar Decathlon mający na celu wytypowanie najlepszych projektów i realizacji samowystarczalnych energetycznie domów jednorodzinnych. Domy te są w całości zasilane energią słoneczną wykorzystując istniejące na rynku technologie. Konkurs angażuje środowiska akademickie i producentów w celu wyznaczania nowych kierunków rozwoju tej formy konstruowania obiektów mieszkalnych, przyczyniając się do promowania proponowanych rozwiązań.

Urbanistyka - forma budynku - energia

Przez wieki korzystano z mocy promieniowania słonecznego w sposób pasywny. Dawniej energia sło- neczna służyła poprawie komfortu użytkowników, ogrzewania przegród budynku, doświetlania wnętrz, wydobywania piękna architektury. Obecnie prócz tych aspektów w sposób szczególny podkreśla się możliwość aktywnego pozyskiwania energii promieniowania słonecznego. Stosunkowo niedawno na- uczyliśmy się w jaki sposób przy użyciu różnorodnych technologii przetwarzać docierające do ziemi promieniowanie w energię elektryczną i cieplną. Potrzeba konwersji źródeł odnawialnych wynika z po- garszającego się stanu środowiska przyrodniczego, chęci ograniczenia zużycia kopalin. Obserwujemy po- stępującą degradację przyrody, niepokojąco szybko narastające, negatywne efekty zmian klimatycznych.

Są to w głównej mierze skutki działania wysokorozwiniętej cywilizacji przemysłowej, opartej o energię pozyskiwaną ze spalania kopalin [Rajendra K., 2014] Konieczność poprawy relacji człowieka z przyrodą zmusza nas do poszukiwania nowych źródeł energii. Zakłada się, że można w sposób bezpieczny dla przyrody wykorzystywać różnego rodzaju źródła odnawialne. Energia wiatru, geotermalna, fal morskich, biomasa, każda z technik ma swoje zalety, wady i ograniczenia. Konwersja promieniowania słoneczne- go, choć obecnie najmniej rozpowszechniona, zdaje się mieć największy potencjał rozwoju. Ilość energii docierającej do powierzchni Ziemi w ciągu zaledwie jednej godziny pokrywa roczne, całkowite zapo- trzebowanie ludzkości. Szacuje się, że wszystkie istniejące na Ziemi złoża węgla, ropy naftowej i gazu ziemnego mają wartość około 430 ZJ, co odpowiada energii jaka dociera ze Słońca do Ziemi w ciągu zaledwie 56 dni. Całkowite zapotrzebowanie ludzkości na energię, które wynosi obecnie 18 TW rocznie, stanowi jedynie 0,02% dostępnej w tym czasie mocy promieniowania słonecznego [Wikipedia 2014].

Źródło tej energii w zasadzie jest niewyczerpalne. Samo zaś jej pozyskiwanie, ciche, niegenerujące spalin, odpadów, zanieczyszczeń. Oznacza to, że by rozwiązać problemy ludzkości związane z pozyskiwaniem energii oraz zanieczyszczeniem środowiska, należy nauczyć się umiejętnie eksploatować promieniowa- nie słoneczne, które w nadmiarze dociera do Ziemi.

Budownictwo w Polsce i Europie odpowiedzialne jest za zużycie aż 40% energii którą produkujemy [BuildDesk Analytics 2011]. Olbrzymia energochłonność sektora skutkuje, znaczącym negatywnym wpływem na środowisko. Dlatego niezwykle ważne jest by podjąć próby jego ograniczenia. Jedną ze strategii jest projektowanie budynków o małym zapotrzebowaniu na energię, zapewnienie szczelności, ograniczenie strat wynikających ze złej izolacji cieplnej. Inną z możliwości jest takie kształtowanie archi- tektury by z obudową budynków¹ zintegrowane były różnorodne systemy konwersji promieniowania słonecznego. Obniżenie zużycia energii, produkcja energii na własny użytek, wiąże się z posiadaniem przez budynek szeregu cech, instalacji, określonej formy. Zrealizowane obiekty nisko-energetyczne, pa- sywne, zero-energetyczne, wykazały niezbicie, iż bez względu na rodzaj użytych materiałów, technologii, typ konstrukcji, kluczowym warunkiem niskiego zapotrzebowania energetycznego jest orientowanie w kie- runku południowym². Liczne badania wykazują, iż wydajność instalacji aktywnie pozyskujących energię słoneczną rośnie w przypadku ustawienia zabudowy pod odpowiednim kątem azymutalnym. Także pa- sywne pozyskiwanie energii jest ułatwione w przypadku odpowiedniego orientowania budynków.

Badacze Passive House Institute³ postulują, by główna elewacja budynku, przeszklona w ok. 70% była

1. obudowa budynku - płasz- czyzny zewnętrzne obiektu architektonicznego takie jak elewacje, dachy bez ich roz- różniania i kategoryzowania.

Pojęcie używane za prof. nzw.

dr hab. inż. Dorotą Chwieduk, która wprowadziła je wpub- likacji „Modelowanie i analiza pozyskiwania oraz konwersji termicznej energii promieniowa- nia słonecznego w budynku”

2. porównaj z informacjami zawartymi wrozdziale:

II_1.5 Prezentacja projektów budynków eksperymentalnych

3. Instytut Budownictwa Pasywnego (PHI - Passive House Institute) jest nieza- leżnym instytutem badaw- czym prowadzonym przez dr Wolfganga Feista oraz stale rosnący, interdyscyplinarny zespół pracowników. PHI od- grywa szczególnie istotną rolę w rozwoju koncepcji domu pasywnego. Pierwszy projekt pilotażowy (Kranichstein Dom pasywny, Darmstadt, Niemcy, 1990) był pierwszym w Eu- ropie zamieszkanym domem wielorodzinnym osiągają- cym udokumentowane zu- życie energii cieplnej, poniżej 12 kWh/(m²rok), ten niezwy- kle niski poziom konsump- cji potwierdzono przez lata szczegółowego monitorowa- nia budynku. Instytut bada, recenzuje nowe produkty na rynku budownictwa energoo- szczędnego. Certyfikuje także budynki energooszczędne ipasywne.

http://passiv.de/en/

I

zorientowana możliwie precyzyjnie w kierunku południowym. Polecają także zminimalizowanie ilości ot- worów okiennych w elewacji północnej do max. 30%. Zakładają także zwiększenie powierzchni obudowy budynku od strony południowej przy jednoczesnym jej zmniejszeniu od strony północnej [Węglarz, Pietraczyk i Stępień 2011]. Otwarcie budynku architektonicznych na pozyskiwanie światła słonecznego największe znaczenie ma w okresie zimowym. Przy czym należy zwrócić szczególną uwagę na takie kształtowanie bryły obiektów, by południowa ekspozycja, głównej elewacji budynku nie prowadziła do jego przegrzewania latem. Zaleca się strefowanie funkcji, umożliwiające maksymalne wykorzystanie światła słonecznego do oświetlania wnętrz i pasywnych zysków energetycznych [Węglarz A., Stępień R., 2011]. Te podstawowe, wyjściowe, warunki, determinują kształt budynku i jego usytuowanie na działce.

Sir Norman Foster jeden z prekursorów architektury bioklimatycznej wykazuje, iż orientowanie zabudo- wy jest najtańszym i jednocześnie najbardziej efektywnym działaniem, obniżającym energochłonności budynków. Dowodzi, że stosowanie zaawansowanych technologii wiąże się z ogromnymi nakładami finansowymi, dzięki którym zyskujemy stosunkowo niewiele [Pyszczek T. i Stelmach M. 2010].

Jednakże możliwość optymalnego z punktu widzenia słonecznych zysków energetycznych orientowania budynku na działce inwestycyjnej jest w praktyce bardzo ograniczona. Kąt azymutalny zabudowy, oraz jej forma w głównej mierze zależy od podziałów właścicielskich, przebiegu infrastruktury drogowej i in- stalacyjnej, formy i odległości zabudowy sąsiedniej, linii zabudowy wyznaczonej przez miejscowy plan zagospodarowania. Zatem stosowanie „architektury słonecznej⁴” jest niezwykle ograniczone, licznymi uwarunkowaniami urbanistycznymi. O ile istnieją niewielkie szanse orientowania budynku w zabudowie jednorodzinnej o tyle wydaje się, że projektowanie obiektów mieszkalnych tego typu w miastach jest całkowicie niemożliwe. Szczególnie trudne jest także dostosowanie istniejącej tkanki urbanistycznej do nowych potrzeb.

Dotychczasowe badania i realizacje tkanki miejskiej uwzględniające dostęp do światła słonecznego, kon- centrowały się wokół zapewnienia minimalnej ilości światła słonecznego niezbędnej dla zapewnienia komfortu i zdrowia użytkowników. Nie rozpatrywano jednakże zagwarantowania jednakowego i długo- trwałego dostępu do promieniowania słonecznego w celu produkcji energii elektrycznej i cieplnej.

Pionierskimi badaniami tego typu były doświadczenia Ralpha Knowelsa i jego metoda wyznaczania tzw.

„kopert słonecznych⁵”. Doświadczenia skupiały się jednak przede wszystkim na zapewnieniu wszystkim budynkom równego dostępu do światła poprzez minimalizowanie wzajemnego zacieniania. Metody konwersji energii słonecznej i uzależnienie od nich formy budynków nie były brane pod uwagę. Badań

4. architektura słoneczna - Sposób projektowania bu- dynków pod kątem maksy- malnego wykorzystania przez nie energii promieniowania słonecznego. Do wspólnych cech pasywnej architektury słonecznej należą względne zorientowanie wstronę słoń- ca, kompaktowe wymiary, selektywne zacienienie i po- jemność cieplna. Kiedy cechy te są dostosowane do lokal- nych warunków klimatycz- nych iśrodowiskowych, mogą wytworzyć dobrze oświetlone przestrzenie, które zapewnia- ją komfortowe temperatury.

Najnowocześniejsze podejście do architektury słonecznej wykorzystuje modelowanie komputerowe, które łączy sy- stemy oświetlenia, ocieplania i wentylacji wjednym zinte- growanym pakiecie projek- towym. Modelowanie to wy- korzystuje wszystkie techniki związane zogrzewaniem pa- sywnym. Przykładem budyn- ków maksymalnie wykorzy- stujących techniki ogrzewania pasywnego są budynki auto- nomiczne. [Wikipedia 2015]

5. porównaj z informacjami zawartymi wrozdziale:

II_2.3 Koperta Słoneczna - So- lar Envelope - pionierskie bada- nia Ralpha Knowelsa Ilustracja I_1_1

Zależność między nakładami finansowymi i ich efektyw- nością w przypadku zasto- sowania zaawansowanych technologii oraz odpowied- niego orientowania zabudo- wy - wg. Sir Normana Fostera [Architektura&Biznes]

I

prowadzonych w latach 80’ XX wieku, niestety nie kontynuowano. Zaleceń Knowelsa nie udało się także zastosować w praktyce. Dopiero ostatnie lata przynoszą oparte na metodzie „kopert słonecznych”, sze- rzej zakrojone poszukiwania formy miasta, która zapewnia optymalne warunki pozyskiwania energii sło- necznej. Jednakże są to badania rozproszone, definiujące jedynie poszczególne aspekty tego typu zabu- dowy. Zwykle brak jednoznacznych wyznaczników określających formę zewnętrzną. Badania obejmują także małe szerokości geograficzne tj. 30°- 40° gdzie warunki nasłonecznienia są znacznie lepsze niż ma to miejsce w przypadku warunków klimatycznych Polski⁶.

W ramach poszukiwania wydajnych form budynków oraz sprzyjających ich działaniu układów urbani- stycznych konstruowane są domy jednorodzinne, budynki wielorodzinne, a nawet osiedla aktywnie po- zyskujące energię słoneczną. Pomimo, iż powstało już wiele budynków które dzięki formie, usytuowaniu oraz technologiom czerpią aktywne i bierne zyski energetyczne z promieniowania słonecznego, tą dzie- dzinę budownictwa i urbanistyki należy uznać, póki co za pionierską. Badania tego typu są rozproszone, niejednoznaczne, opracowane tylko dla wybranych szerokości geograficznych⁷. Znamy wiele rozwiązań technologicznych umożliwiających konwersję energii słonecznej. Dopracowywane są wskazówki po- zwalające odpowiednio do lokalizacji geograficznej kształtować bryłę budynku. Jednakże wiedza doty- cząca kształtowania założeń urbanistycznych o wysokiej wydajności energetycznej, których forma po- zwala na optymalizację konwersji energii słonecznej praktycznie nie istnieje.

Nie ma jednoznacznych opracowań, będących wytycznymi na podstawie których można zaprojek- tować i zbudować osiedle, miasto w taki sposób by zapewnić wysoki dostęp do światła słonecznego⁸. Światła, które jest istotne nie tylko ze względów na komfort czy zdrowie użytkow- ników ale w opisywanym przypadku, nade wszystko, by umożliwić aktywne pozyskiwanie energii.

Z analizy autora wynika, iż nie prowadzi się badań nad tego typu zabudową dla polskich warunków klimatycznych. W realizowanych projektach urbanistycznych, kwestia zapewnienia optymalnych warunków do pozyskiwania energii słonecznej w ogóle nie jest poruszana. Także projekty architektoniczne rzadko uwzględniają kwestię zależności miedzy formą budynku a możliwością aktywnej konwersji energii słonecznej.

Prócz zagadnień dotyczących odpowiedniego doświetlenia wnętrz polskie prawo oraz praktyka zawodowa nie uwzględniają ograniczania wzajemnego zacieniania budynków ze względu na zwiększa- nie potencjału do konwersji energii słonecznej⁹ [Rozporządzenie Ministra Infrastruktury 2002]. Brakuje badań, rozwiązań, standardów, pozwalających na budowę miast przyszłości, w których głównym aspek- tem jest samowystarczalność energetyczna. Autor zauważa w związku z tym konieczność podjęcia ba- dań i dyskusji w tej dziedzinie. Wypracowanie wiedzy, doświadczenia i wytycznych. Zdaniem autora w związ- ku z tym niezbędne są badania nad nową formą tkanki miejskiej dla której priorytetem, będzie możliwość oszczędzania i pozyskiwania energii. Jednocześnie struktura taka powinna zapewnić maksymalny kom- fort mieszkańców, poprzez zwiększenie ilości terenów zielonych, optymalizację komunikacji, dostęp do powietrza i światła, spełnienie potrzeb społecznych.

6. porównaj z informacjami zawartymi wrozdziale:

II_2 Analiza badań - architektu- ra i urbanistyka bioklimatyczna

7. porównaj z informacjami zawartymi wrozdziale:

II_1.6 Prezentacja projektów urbanistyki zero - emisyjnej

8. porównaj z informacjami zawartymi wrozdziale:

II_2 Analiza badań - architektu- ra i urbanistyka bioklimatyczna

9. aspekty biernego i czyn- nego pozyskiwania energii słonecznej w kontekście stanu polskiego prawodaw- stwa szeroko komentuje prof.

Dorota Chwieduk w swojej książce „ Energetyka słoneczna budynku”

I

I_2 Uzasadnienie podjęcia tematu

Autor zdecydował się podjąć powyższy temat z szeregu różnorodnych powodów. Część z nich ma charakter badawczy, ściśle związany z poszerzaniem wiedzy dotyczącej wybranej dziedziny naukowej.

Istnieje jednak szereg przyczyn światopoglądowych, które skłoniły autora do wyboru tematyki pracy.

Polską przestrzeń urbanistyczną charakteryzuje niespójność, brak szacunku dla przestrzeni wspólnych, publicznych. W znikomym zakresie budując nowe struktury urbanistyczne dba się o jakość jej kompozycji i przestrzeni którą tworzy. Od momentu transformacji ustrojowych w latach 90-tych stan ten pogarsza się. Brak normatywów urbanistycznych w warunkach gospodarki rynkowej sprzyja działaniom dewelo- perów skupionych jedynie na zysku ekonomicznym. Utrudnia to tworzenie osiedli mieszkaniowych o wy- sokiej jakości przestrzennej i funkcjonalnej. Działania większości społeczeństwa skupiły się na spełnia- niu postulatów liberalnej demokracji, masowej konsumpcji, realizacji indywidualnych potrzeb jednostki.

Na rozwój urbanistyczny bardziej niż kiedykolwiek wcześniej wpływa egoistyczne rozumienie prawa do własności. Marginalizacja zawodu urbanisty min. poprzez wprowadzenie ustawy o deregulacji zawodów, jeszcze bardziej pogłębia przestrzenny chaos kraju.

Na wybór tematu wpływ ma także sytuacja na rynku energii w Polsce. Przestarzałe elektrociepłow- nie zasilane węglem kamiennym, przyczyniają się emisji dwutlenku węgla oraz innych zanieczyszczeń i pyłów [Maciejewski Z. 2011]. Jeszcze większy negatywny wpływ na jakość powietrza w Polsce ma tzw. niska emisja - spalanie w domowych kotłowaniach węgla kamiennego słabej jakości a często także śmieci. Powietrze w Polsce jest jednym z najbardziej zanieczyszczonych w Europie [Albiniak B. 2011].

Jedną z przyczyn jest spalanie paliw kopalnych, używania przydomowych kotłowni wykorzystujących wyjątkowo niskiej jakości paliwa. Skutkiem takich działań są liczne zachorowania, absencja w pracy, kosztowne leczenie i odszkodowania [Jensen E. 2014]. Rzadko kiedy w kontekście polskiego „dobra na- rodowego” za jaki uważa się węgiel kamienny, dyskutuje się o zanieczyszczeniu powietrza, chorobach i kosztach ich leczenia, ingerencji w przyrodę, zmianach klimatycznych. W dyskusji publicznej polski wę- giel kojarzony jest z kolejnymi żądaniami i protestami związkowców górniczych. Niepokoi także zużyty system sieci przesyłowej, której stan wymaga miliardowych nakładów na jej przebudowę. Obecna sytu- acja zmusza nas do natychmiastowego działania. Autor poddaje zatem pod dyskusję, czy zamiast inwe- stować w budowę nowych bloków energetycznych zasilanych węglem oraz budowę scentralizowanej sieci przesyłowej, wykorzystując te same fundusze można rozpocząć budowę alternatywnego systemu pozyskiwania i dystrybucji energii.

Jeśli mowa o energetyce i surowcach, trudno nie odnieść się w tym przypadku do polityki i obecnej sy- tuacji międzynarodowej. Oparcie gospodarki Polski i innych krajów europejskich na spalaniu importowa- nego gazu i ropy, skutkuje uzależnieniem się od państw sprzedających te surowce [Teske S. 2014, Krzak J., Ministerstwo Gospodarki, Ministerstwo Środowiska 2014 ]. Zdaniem autora szczególnie Polska ze względu na swe położenie geograficzne i historię, dążyć powinna do jak największej niezależności w tym zakresie. Zdaniem wielu działaczy, naukowców, należy skupić się na rozwijaniu technologii pozwalają- cych na produkcję energii ze źródeł odnawialnych. Zamiast tego polski rząd planuje niezwykle kosztowną i kłopotliwą jeśli chodzi o bezpieczeństwo, budowę elektrowni jądrowej. Dokładnie w momencie gdy kra- je takie jak Niemcy, rezygnują z tego typu instalacji stawiając na odnawialne źródła energii [Forbes 2011]

Niemal co tydzień możemy przeczytać doniesienia o nowych odkryciach w dziedzinie konwersji energii słonecznej. Wyniki badań w tej dziedzinie, publikują wszystkie najważniejsze ośrodki badawcze świata.

Skutkuje to niezwykle szybkim postępem, znajdowane są liczne nowe techniki, materiały, metody pro- dukcji. Także polscy badacze mają swój wkład w rozwój tej dziedziny. Ostatnio wiele uwagi poświęco-

I

no odkryciom młodej polskiej doktorantki Olgi Milinkiewicz [Stepaniuk W. 2015]. Jej badania w zakresie aplikacji perowskitów, pozwalają sądzić, że wkrótce pozyskiwanie energii słonecznej będzie tanie, proste i bardzo wydajne. Każda płaszczyzna obiektów użytkowych w tym ubrań będzie mogła być kolektorem promieniowania. Zakłada się, że nowe aktywne technologie pozyskiwanie energii słonecznej będą ściśle powiązane z obudową budynku. By systemy te były wydajne, konieczne jest ich ustawienie pod odpo- wiednim kątem azymutalnym, powinny one być także odpowiednio pochylone oraz w jak najmniejszym stopni zacieniane. Innymi słowy architektura i urbanistyka muszą być dostosowane do nowych metod pozyskiwania energii. Tymczasem nie prowadzi się badań w tym zakresie. Nowo wznoszone osiedla mieszkaniowe są bezmyślnie zagęszczane, utrudniając dostęp do światła słonecznego.

Choć wiele mówi się o „zrównoważonym rozwoju” i „ekologii” stojące za tymi hasłami postulaty, rzadko są realizowane w Polsce. Obserwując kraje zachodniej i północnej Europy takie jak Niemcy, Holandia, kraje skandynawskie widzimy, że „zrównoważony rozwój” może być „opłacalny” na wielu poziomach.

Rozwój przemysłu „zielonych” technologii, nowe miejsca pracy z tym związane. Jakość powietrza, dobra kondycja środowiska przyrodniczego, poprawa jakości życia, obniżenie zapotrzebowania na energię po- przez jej produkcję ze źródeł odnawialnych. To tylko niektóre dotychczasowe skutki „zielonej rewolucji”

poza granicami naszego kraju.

Powyżej zwrócono uwagę na czynniki geopolityczne, społeczne, związane z jakością krajobrazu i sta- nem środowiska, próbami uniezależniania się od tradycyjnych surowców energetycznych. Poza tymi osobistymi, subiektywnymi stwierdzeniami autora istnieje szereg innych przyczyn uzasadniających podjęcie tematu. Jest to przede wszystkim brak badań w wyznaczonym zakresie, który obejmowałby tereny Polski. Szczególnie istotne jest tu zbadanie możliwości pozyskiwania energii słonecznej w tkance urbanistycznej Poznania. Autorowi bardzo zależy na udowodnieniu, iż stosunkowo proste jest pozyski- wanie znacząco większej ilości energii słonecznej, niż jest to możliwe w istniejących typach zabudowy mieszkaniowej Poznania

I_3 Problem naukowy

Coraz częściej konstruuje się domy pasywne¹⁰, zero-energetyczne i plus-energetyczne¹¹, które dzięki zastosowanym technologiom i instalacjom są samowystarczalne energetycznie. Warunkiem krytycz- nym, niezbędnym w sprawnym działaniu tego typu budynków jest min. ekspozycja głównej elewacji o jak największej powierzchni w kierunku południowym. W ten sposób gwarantuje się możliwość bier- nych zysków słonecznych poprzez nagrzewanie pomieszczeń zimą czy ich naturalne oświetlenie.

Ważne jest takie kształtowanie bryły obiektu by w tracie lata nie dopuścić do przegrzewania wnętrz.

Jednocześnie dąży się do zmniejszenia powierzchni i ilości otworów okiennych w ścianach północnych.

Ważne jest także by bryła budynku była możliwie prosta i zwarta by ograniczać ucieczkę ciepła z wnę- trza budynku w okresie grzewczym. W przypadku budynków energooszczędnych istotny jest kształt i po- chylenie połaci dachowych. Bowiem to na ich powierzchniach zwykle montuje się aktywne systemy konwersji promieniowania słonecznego, takie ja kolektory słoneczne czy panele fotowoltaiczne. Jednym z najistotniejszych czynników jest usytuowanie budynku względem punktów kardynalnych.

Preferowanym ustawieniem głównej elewacji jest zwrócenie jej powierzchni prostopadle do kierunku południowego. Dopuszcza się jednakże odchylenia w zakresie +15° / -15°¹². Wszystkie te określenia zbadano i sprawdzono dla pojedynczych, wolno stojących, zwykle jednorodzinnych budynków. Jak na-

10. budynki pasywne - stan- dard wznoszenia obiektów budowlanych, który wyróż- niają bardzo dobre parametry izolacyjne przegród zewnętrz- nych oraz zastosowanie sze- regu rozwiązań, mających na celu zminimalizowanie zużycia energii w trakcie eksploatacji. Praktyka poka- zuje, że zapotrzebowanie na energię w takich obiektach jest ośmiokrotnie mniejsze niż w tradycyjnych budyn- kach wznoszonych według obowiązujących norm. Zapo- trzebowanie energetyczne wbudynkach pasywnych wy- nosi poniżej 15 kWh/(m²·rok), natomiast w zwykłych do- mach - może osiągać nawet 120 kWh/(m²·rok) [Wikipedia]

11. budynki zero / plus - ener- getyczne - budynek o zero- wym zużyciu energii netto i zerowej emisji dwutlenku węgla rocznie. Budynki które wytwarzają nadwyżkę ener- gii w ciągu roku mogą być nazywane „plus-energetycz- nymi”. W budynkach zeroe- nergetycznych energia jest wytwarzana lokalnie, dzięki połączeniu technologii wy- twarzania energii ze źródeł alternatywnych, takich jak energia słoneczna iwiatr, przy jednoczesnym zmniejszeniu całkowitego zużycia energii z wysoce energooszczęd- nymi systemami ogrzewa- nia, wentylacji, klimatyzacji itechnologii oświetleniowych.

Technologia budynków zeroe- nergetycznych staje się coraz bardziej praktyczna, wraz ze spadkiem cen alternatyw- nych technologii energetycz- nych, oraz wzrostem cen tradycyjnych paliw kopalnych.

[Wikipedia]

12. porównaj z informacja- mi zawartymi w rozdziale:

II_2.10 Optymalne kształto- wanie obudowy budynku, celem montażu instalacji helioaktyw- nych - zebranie wyników badań dla warunków klimatycznych Polski.

I

tomiast powinna być kształtowana zabudowa osiedla domów energooszczędnych? Jak należy formo- wać śródmiejską zabudowę mieszkaniową w taki sposób by umożliwić zyski słoneczne? Czy przy gę- stej zabudowie śródmiejskiej możliwe jest stosowanie powyższych zasad? Czy orientowanie budynków mieszkalnych w kierunku południowym można zastosować w układach urbanistycznych osiedli miesz- kaniowych? Jak mogłyby wyglądać osiedla a nawet całe miasta, optymalizowane w celu pozyskiwania w sposób pasywny i aktywny energii słonecznej?

Kultura, sztuka i architektura od zawsze odnosiły się do roli słońca. Posiadamy antyczne doświadczenia w konstruowaniu budynków i miast pasywnie korzystających z energii promieniowania słonecznego.

Wartość energii słonecznej docierająca do powierzchni Ziemi, wielokrotnie przekracza zapotrzebowanie energetyczne ludzkość. Eksploatujemy jednakże zaledwie ułamek tego potencjału. Przy użyciu prostych środków jesteśmy w stanie korzystać z energii słońca w sposób pasywny. Potrafimy także przetworzyć promieniowanie słoneczne na użyteczną formę energii. Istniejące oraz systematycznie usprawniane technologie dzięki konwersji energii słońca, umożliwiają konstruowanie budynków mieszkalnych całko- wicie samowystarczalnych energetycznie. Ze względu na troskę o środowisko przyrodnicze oraz nara- stające negatywne efekty zmiany klimatycznych, potrzebujemy czystego, odnawialnego, źródła energii.

Wkrótce 70% ludzkości będzie mieszkańcami miast [Gyurkovich J. 2012]. Postępująca gwałtownie urba- nizacja przyczynia się do degradacji środowiska lokalnego. Miasta zajmują wprawdzie zaledwie 2-3% po- wierzchni lądów, wykorzystują jednak aż 75% bieżących światowych zasobów surowców, jednocześnie generując 78% globalnej emisji dwutlenku węgla. [UN Habitat 2011]. Pomimo tej wiedzy, doświadczeń i technologii, od setek lat w niewielkim stopniu zmieniamy sposób w jaki konstruujemy miasta w których żyjemy. W znikomym zakresie wykorzystujemy potencjał docierającej do powierzchni Ziemi energii pro- mieniowania słonecznego w szczególności na terenach zurbanizowanych.

Obecnie prowadzonych jest wiele różnorodnych badań nad technologiami zwiększającymi wydajność konwersji energii słonecznej. Większość z nowych, proponowanych technologii umożliwić ma nakłada- nie cienkich powłok „lakierniczych” na dowolną powierzchnię pozwalając na pozyskiwanie energii sło- necznej poprzez płaszczyzny obudowy obiektów użytkowych, samochodów ale także poprzez wszyst- kie zewnętrzne płaszczyzny budynku¹³. By w pełni wykorzystać zalety najnowszych technologii niezbędnym będzie dostosowanie formy architektonicznej ale także urbanistycznej do kryteriów optymalizacji pozyskiwania energii słonecznej. Sądzi się, że obiekty architektoniczne przy dodatkowym zastosowaniu technik obniżających zapotrzebowanie na energię, będą mogły być niezależne od ze- wnętrznych źródeł energii. Zatem to w rękach architektów i urbanistów, leży klucz rozwiązujący część problemów związanych z produkcją energii ze źródeł odnawialnych oraz ograniczeniem zanieczysz- czeń. Badania nad „słoneczną” urbanistyką oraz ich implementacja w warunkach rzeczywistych będą z pewnością procesem długotrwałym. Dlatego już dziś musimy zacząć tworzyć podstawy, dające moż- liwość aplikacji na płaszczyznach budynków tworzonych właśnie, najnowszych technologii konwersji energii słonecznej.

W związku z tak postawionym problemem pojawia się szereg pytań: Czy w polskim klimacie i poło- żeniu geograficznym wartość nasłonecznienia jest wystarczająca? Czy w zwartej zabudowie miejskiej możliwe jest pozyskiwanie energii słonecznej w ilości przyzwalającej na uniezależnienie się od jej trady- cyjnych źródeł? Czy możliwe jest zmniejszenie efektu wzajemnego zacieniania, lepszego doświetlenia powierzchni zewnętrznej budynków, a w konsekwencji zwiększenia ilości energii pozyskiwanej przez aktywne systemy solarne? Czy jednocześnie można zapewnić odpowiednią gęstość zabudowy a zatem czy inwestycja tego typu może mieć sens ekonomiczny? Czy układ zabudowy podporządkowany mak- symalizacji pozyskiwania energii słonecznej może pełnić wszystkie pozostałe role tkanki miejskiej? Czy

13. porównaj z informacjami zawartymi wrozdziale:

II_1.4 Nowości technologiczne w zakresie konwersji energii słonecznej

I

tkanka urbanistyczna „miast solarnych” może stać się przyjaznym dla człowieka środowiskiem zamiesz- kiwania? Próba odpowiedzi na pytania stawiane powyżej będzie jednym z zadań dysertacji. W związku z tym sformułowano problem naukowy, który podsumowuje wskazane przez autora zagadnienia.

Problemem naukowym pracy jest, znalezienie optymalnej pod względem możliwości pozyskiwa- nia energii słonecznej¹⁴, tkanki urbanistycznej. Jej struktura przestrzenna powinna pozwalać na zmniejszenie wzajemnego zacieniania, umożliwiając równy dostęp do potencjału energetycznego słońca. Poszukiwany będzie, optymalny kształt budynków, pozwalający na maksymalizację energii słonecznej docierającej do ich powierzchni. Kluczowym problemem badawczym jest opracowanie zasad regulujących wzajemne zależności przestrzenne między grupą obiektów, zapewniające równorzędne warunki nasłonecznienia.

By odpowiedzieć na istniejące w dotychczasowych badania braki przyjęto szereg założeń. Badania ograniczono do nowo projektowanych struktur zabudowy mieszkaniowej. Opracowanie zostanie przygotowane dla lokalizacji geograficznej i warunków klimatycznych miasta Poznania. Badania skupią się wokół odpowiedzi na pytania o kształt przyszłych bioklimatycznych miast słonecznych.

Doświadczenia mają pozwolić na poznanie maksymalnego potencjału pozyskiwania energii sło- necznej w warunkach zabudowy mieszkaniowej Poznania. Umożliwić rozpoznanie wydajności w pozyskiwaniu energii słonecznej istniejących struktur zabudowy powstałych w różnych okresach historycznych. Określić optymalne formy urbanistyki solarnej.

I_5 Cele badawcze

Podstawowym celem prowadzonych badań będzie:

Opracowanie schematu modelowej tkanki urbanistycznej dla zabudowy mieszkaniowej, której for- ma i zależności przestrzenne pozwalają na maksymalizację wartości energii słonecznej, dociera- jącej do obudowy budynków.

Cele badawcze podzielono zgodnie z proponowaną chronologią badań oraz zakresem merytorycznym:

1. Cele poznawcze

Związane z analizą literatury, stanu badań, zrealizowanych budynków i osiedli:

1. Poznanie bieżących tendencji związanych z rozwojem cywilizacyjnym i przestrzennym oraz skutkami, które za sobą niesie.

2. Określenie najnowszych tendencji w budownictwie i planowaniu przestrzennym w celu poznania dominujących rozwiązań w zakresie architektury bioklimatycznej¹⁵.

3. Rozpoznanie najnowszych technologii konwersji energii słonecznej pod kątem możliwości ich zasto- sowania na płaszczyznach obudowy budynków.

14. wydajność / efektywność pozyskiwania energii sło- necznej - używając w pra- cy sformułowań tego typu, autor ma na myśli wartość całkowitego promieniowania energii słonecznej tj. światła bezpośredniego i odbitego, docierającego do płaszczyzn porównywanych modeli.

Wydajność ta mierzona jest wkWh/m² gdy porównywa- ne są poszczególne płasz- czyzny obudowy budynku.

Natomiast dla wyników su- marycznych informujących ile energii słonecznej dociera łącznie do płaszczyzny układu urbanistycznego wciągu roku, stosuje się jednostkę MWh.

W badaniach uznawano za lepsze te modele w których wartość docierającej do nich energii słonecznej była więk- sza. Jeśli wynik sumaryczny był wysoki uznawano, że dany model ma dobrą „wydajność pozyskiwania energii słonecz- nej”, jest „efektywny wpozy- skiwaniu energii słonecznej”, ma optymalną formę iukład.

15. architektura bioklima- tyczna - sposób postępowa- nia podczas projektowania w obszarze budownictwa, który promuje takie rozwiąza- nia ażeby budynki iobiekty bu- dowlane zdołączoną do nich przestrzenią funkcjonowały wdużej harmonii zotaczają- cym środowiskiem natural- nym, wykorzystując optymal- ne warunki środowiska przy jednoczesnym minimalizowa- niu efektów niepożądanych, zapewniając tym samym na- turalne izdrowe miejsca życia i pracy. Architektura ta pro- ponuje rozsądny i racjonalny kierunek projektowania, który może być wykorzystywany w dowolnym stylu architek- tonicznym nie naruszając jego indywidualnych cech atakże nie ograniczając projektanta.

[Ekoinfo.pl]

I

4. Zaprezentowanie szeregu zrealizowanych obiektów, które poprzez zastosowane materiały, technologie, formę mogą racjonalnie gospodarować energią oraz produkować ją na własny użytek.

5. Przybliżenie szeregu projektów i realizacji z zakresu urbanistyki bioklimatycznej.

6. Przedstawienie wyników badań naukowców zajmujących się różnymi aspektami architektury i urba- nistyki bioklimatycznej.

7. Zrozumienie cech fizjologii, zachowania roślin i zwierząt pozwalających na zwiększanie potencjału pozyskiwania energii słonecznej.

8. Opracowanie zasad geometrycznych i liczbowych, proporcji, wynikających z obserwacji natury, mogących wpływać pozytywnie na zwiększanie wartości energii słonecznej docierającej od powierzchni budynków.

2. Cele analityczne

Związane z przeprowadzoną serią badań porównawczych różnorodnych struktur i układów urbanistycznych:

1. Przebadanie istniejących struktur urbanistycznych Poznania z różnych okresów rozwoju miasta w celu określenia ich wydajności i charakterystyki w pozyskiwaniu energii słonecznej.

2. Określenie średniej wartość energii docierającej do płaszczyzn ścian południowych i dachów wybranych, istniejących struktur zabudowy mieszkaniowej Poznania. Liczba ta będzie stanowiła punkt odniesienia do oceny właściwości proponowanych w badaniach rozwiązań przestrzennych.

3. Uzyskanie odpowiedzi na pytanie czy nowo projektowana tkanka może mieć większy potencjał produkcji energii ze źródła odnawialnego od istniejących, historycznych form zabudowy.

4. Znalezienie optymalnych form budynków oraz relacji między nimi w zabudowie o dużej gęstości, pozwalających na maksymalizację wartości energii słonecznej docierającej do ich powierzchni.

3. Cele aplikacyjne

Mające na celu sformułowanie wniosków z prowadzonych badań w formie wytycznych do projek- towania urbanistycznego

1. Opracowanie metody regulującej relacje między budynkami oraz determinującej ich formę pozwala- jącą na minimalizowanie wzajemnego zacieniania budynków i maksymalizację zysków słonecznych.

2. Opracowanie modelowego układu urbanistycznego, którego struktura przestrzenna, proporcje, odległości między budynkami, kąty nachylenia płaszczyzn obudowy, wspomagają aktywne, pozyski- wanie energii słonecznej.

3. Opracowanie zaleceń projektowych ułatwiających podejmowanie decyzji w trakcie projektowania tkanki urbanistycznej o zakładanym dużym potencjale pozyskiwania energii słonecznej.

I

I_4 Teza pracy

Powyżej nakreślono historię sposobów wykorzystania energii słonecznej w architekturze i urbanistyce.

Wprowadzono w zakres i kierunki badań współczesnych dotyczących konwersji promieniowania.

Wykazano konieczność ograniczenia zużywanej w budownictwie energii z uwagi na pilną potrzebę redukcji wykorzystania paliw kopalnych i emisji zanieczyszczeń. Określono także główne problemy naukowe, występujące w opisywanej dziedzinie, braki wiedzy, liczne wątpliwości i pytania. By móc odnieść się do tak postawionego zagadnienia, odpowiedzieć na problemy i wskazać rozwiązania autor stawia tezy:

Ilość pozyskiwanej energii słonecznej jest współzależna od szeregu powiązanych z sobą czynni- ków - formy obiektów architektonicznych ich wzajemnych relacji przestrzennych, wielkości powierzchni nasłonecznionych oraz stopnia ich zacieniania¹⁶.

Maksymalizacja powierzchni nasłonecznionych¹⁷ należy do jednych z podstawowych czynników kształtowania urbanistyki i architektury energooszczędnej.

I_5 Oryginalność podjętej tematyki

W projektowaniu urbanistycznym bierze się pod uwagę szereg czynników, kształtujących morfolo- gię zabudowy. Są to min. uwarunkowania przyrodnicze, geologiczne, funkcjonalne, infrastrukturalne, komunikacyjne, kulturowe, historyczne, społeczne. Także projektowanie architektoniczne zależne jest od różnorodnych uwarunkowań, funkcji, argumentów, norm. Autor zdaje sobie sprawę, że w odpo- wiedzialnym kształtowaniu przestrzeni zamieszkiwania należy brać pod uwagę cały zbór zależnych od siebie faktorów. Wie doskonale, że nigdy obiekty architektoniczne ani struktury urbanistyczne nie są zależne tylko od jednego czynnika. Jednakże dla potrzeb teoretycznego badania, którym jest prezentowana dysertacja, postanowiono z premedytacją i świadomością konsekwencji wykorzystać w projektowaniu i ocenie układów urbanistycznych jeden tylko argument. Założono, że kształtowanie architektury i urbanistyki może być zależne - od maksymalizacji dostępu do energii promieniowania słonecznego.

Uznano, że istnieją takie proporcje, wartości kątowe, formy, zależności przestrzenne, dzięki którym moż- na zwiększyć ilość energii słonecznej docierającej do płaszczyzn nasłonecznionych. Celem było uzyska- nie takiej struktury urbanistycznej w której każdy mieszkaniec osiedla ma jednakowy, demokratyczny, niczym nie zakłócony dostęp do promieniowania słonecznego. Żaden z budynków sąsiednich, nie wpły- wa negatywnie na możliwość odbioru energii słonecznej. Dostęp do energii promieniowania słonecz- nego traktowane jest tu jako dobro wspólne z którego każdy mieszkaniec metropolii mógłby korzystać w równorzędnym stopniu. W żadnych znanych autorowi badaniach nie poruszano tak postawionego problemu naukowego. Większość naukowców omawiając zagadnienia związku architektury i urbanistyki z nasłonecznieniem omawia estetykę architektury, warunkowanie zdrowia i komfortu zamieszkiwania, historię zastosowania promieniowania słonecznego w architekturze i urbanistyce, metody konwersji energii słonecznej. Dotychczasowe badania w zakresie ścisłego uzależnienia struktury urbanistycznej

16. stopień zacieniania - pro- centowa wartość powierzch- ni badanego obiektu, który w warunkach prowadzenia badań pozostałe pod wpły- wem cienia. Może być to cień rzucany przez obiekt sąsia- dujący lub też cień własny, wynikający z formy obiektu i ekliptyki słońca. Podawana wwynikach badań liczba od- zwierciedla wartości suma- ryczne, uzyskiwane w okre- sie prowadzenia testów tj.

w okresie jednego roku ka- lendarzowego, w godzinach 08.00 - 16.00, dla szerokości geograficznej 52°, zuwzględ- nieniem warunków pogo- dowych lokalnego klimatu Poznania. Wtabelach zwyni- kami będącymi załącznikiem do niniejszej pracy „ stopień zacieniania” określony jest słowem „zacienienie”.

17. powierzchnie nasło- necznione - płaszczyzny ze- wnętrzne budynku takie jak elewacje południowe oraz da- chy, skierowane wkierunkach południowym, południowo - wschodnim, południowo - zachodnim, otrzymujące bez- pośrednie oraz rozproszone promieniowanie słoneczne.

Wpracy zuwagi na spójność językową, stosuje się wtym kontekście wymiennie słowa takie jak: powierzchnie czyn- ne, płaszczyzny aktywne, obudowa budynku, ściany / elewacje południowe, płasz- czyzny dachów pulpitowych.