Dr hab. inż. arch. Bartosz Czarnecki, prof.

Strona | 1 Dr hab. inż. arch. Bartosz Czarnecki, prof. nzw. PB_________________________________________

Wydział Architektury Politechniki Białostockiej

Ul. O. Sosnowskiego 11, 15-893 Białystok, b.czarnecki@pb.edu.pl

RECENZJA

rozprawy doktorskiej mgr inż. arch. Tomasza Piwińskiego

pt. „Kształtowanie zabudowy mieszkaniowej w celu optymalizacji pozyskiwania energii słonecznej”

1. Podstawa formalna recenzji

Podstawę formalną wykonania recenzji stanowi pismo Dziekana Wydziału Architektury Politechniki Poznańskiej, Pana dr hab. inż. arch. Jerzego Suchanka, prof. nzw. PP, z dnia 21.07.2015 wraz z załączoną umową.

2. Ocena aktualności tematu rozprawy, jej znaczenia poznawczego i praktycznego

Wpływ warunków naturalnych, w tym promieniowania słonecznego, na kształtowanie siedzib ludzkich był rozpatrywany prawdopodobnie od zarania ich świadomego formowania. Jednak nieco innym zagadnieniem jest uwzględnianie w architekturze i urbanistyce uwarunkowań aktywnego pozyskiwania energii słonecznej, co jest przedmiotem opiniowanej pracy. W tym zakresie pierwsze polskie próby badań sięgają lat 70-tych, a na pewno 80-tych XX wieku.

Recenzentowi znana jest próba przygotowania rozprawy na zbliżony temat w połowie lat 80- tych, jednak praca ta nie powstała. Wówczas praca ta siłą rzeczy miała (i musiałaby) dotyczyć głównie optymalizacji architektury do pasywnego wykorzystania energii słonecznej.

Tymczasem od około 15 lat architekci, również w Polsce, są coraz częściej konfrontowani z możliwościami (a także oczekiwaniami inwestorów) zastosowania nowoczesnych instalacji, służących aktywnemu wykorzystaniu źródeł energii odnawialnej, w tym słonecznej. Są to technologie nowe w powszechnym stosowaniu i wciąż podlegające rozwojowi. Jednocześnie badania dotyczące wpływu tej problematyki na kształtowanie zabudowy oraz zagospodarowanie terenu, a zwłaszcza dotyczące czynników optymalizacji pod tym względem, nie mają raczej charakteru pogłębionego. To określa stopień aktualności tematu pracy i jej potencjału poznawczego oraz praktycznego.

3. Konstrukcja pracy

Praca liczy 382 numerowane strony zasadniczej części oraz rozdział V zawierający 63 całostronicowe tabele wyników badań wraz z towarzyszącymi ilustracjami. Spis literatury liczy 227 pozycji piśmienniczych oraz 5 pozycji filmografii. Pośród pozycji Bibliografii, która mieści zarówno publikacje naukowe, jak i raporty oraz materiały elektroniczne ze źródeł internetowych, 144 stanowią pozycje zagraniczne.

Część zasadnicza pracy podzielona jest na cztery rozdziały, które stanowią: Wprowadzenie (s.8), Stan badań (s.22), Opis przeprowadzonych badań (s. 139) oraz Podsumowanie i wnioski (s. 323). Część tę zamyka Bibliografia i szczegółowy spis treści a także wykaz źródeł ilustracji, po których następuje wspomniany Rozdział V. Wprowadzenie zawiera krótką sygnalizację stanu badań, uzasadnienie podjęcia tematu, sformułowanie problemu naukowego, cele

Strona | 2 badawcze, tezę pracy oraz uzasadnienie oryginalności podjętej tematyki i łącznie liczy 13 stron. Rozdział II (Stan badań) składa się z trzech podrozdziałów i liczy 117 stron. Rozdział III (Opis przeprowadzonych badań) składa się z 9 podrozdziałów i liczy 215 stron. Rozdział IV (Podsumowanie i wnioski) składa się z 5 podrozdziałów i liczy 31 stron.

Praca jest bogato ilustrowana, w dużej mierze ilustracjami autorskimi doktoranta.

Objaśnieniu źródeł innych ilustracji służy stosowny wykaz zamieszczony na stronach 365-375.

Uwagi

1) wykaz źródeł ilustracji nie jest ujęty w żadnym z dwóch spisów treści;

2) Rozdział II Stan badań, podobnie jak kolejny, zawiera opis przeprowadzonych czynności badawczych (analiza dotychczasowego stanu badań), w związku z tym omówienie zastosowanej metodyki powinno obejmować również ten rozdział i znajdować się raczej we Wprowadzeniu, a nie dopiero w rozdziale III;

3) w Bibliografii warto rozdzielić tradycyjne publikacje naukowe od różnego rodzaju raportów i opracowań eksperckich oraz popularnych, ewentualnie odrębnie wykazać źródła internetowe;

4) niefortunne jest powtórzenie tytułu podrozdziału z Wprowadzenia jako tytułu rozdziału II (Stan badań).

4. Charakterystyka przeprowadzonych badań oraz ocena merytoryczna dysertacji Rozdział I. Wprowadzenie

W tej części pracy autor naświetla tło problemu i źródło tematu pracy. Pokrótce (może nieco pobieżnie) opisuje historię relacji człowieka ze słońcem, wielkość zasobu jakim jest energia słoneczna, wspomina o nowoczesnych możliwościach aktywnego pozyskiwania tego rodzaju energii. Wskazuje na problem zależności struktury urbanistycznej, formy budynku i efektywności pozyskiwania energii słonecznej, konkludując, że brak jest opracowań naukowych i instruktażowych oraz szczegółowych aktów prawnych wspierających efektywne, aktywne pozyskiwanie energii Słońca. Tak istotny czynnik jest brany pod uwagę w planowaniu oraz projektowaniu co najwyżej w kontekście dbałości o nasłonecznienie pomieszczeń, poprawę komfortu cieplnego, a nie wytwarzania energii. Podjęcie problemu autor motywuje głównie brakiem analogicznych opracowań, deklaratywnym charakterem postulatów ekologicznych w Polsce oraz wciąż znikomymi doświadczeniami Polaków z odnawialnymi źródłami energii.

Jako problem naukowy autor wskazuje zagadnienie optymalizacji rozwiązań urbanistycznych, a także architektonicznych z punktu widzenia aktywnego pozyskiwania energii słonecznej.

Podstawowy cel pracy został określony jako konstrukcja schematu modelowej tkanki urbanistycznej dla zabudowy mieszkaniowej w celu maksymalizacji wartości energii słonecznej, docierającej do obudowy budynków, która może być następnie wykorzystana do przetworzenia w energię użytkową za pomocą technologii, które podlegają obecnie dynamicznemu rozwojowi , i którymi autor słusznie nie zajmuje się w pracy. Cele badawcze autor przedstawia z podziałem na cele poznawcze (8), analityczne (4) oraz aplikacyjne (3) (s.

17-18).

Główna część tezy pracy (s. 19) zakłada, że maksymalizacja powierzchni nasłonecznionych należy do jednych z podstawowych czynników kształtowania urbanistyki i architektury energooszczędnej.

We Wprowadzeniu autor nic nie mówi o metodyce badań, czyniąc to dopiero na wstępie rozdziału III.

Strona | 3 Uwagi

1) pierwsze zdanie w podrozdziale I-1 Stan badań (s. 9), mówiące o „niezwykle istotnej roli”

słońca w życiu człowieka nie oddaje istoty rzeczy: Słońce warunkuje życie na Ziemi;

2) autor nie wspomina, że w architekturze, a zwłaszcza urbanistyce mającej swe źródło w Karcie Ateńskiej wiele uwagi poświęcano biernemu wykorzystaniu energii Słońca, w tym jako czynnikowi zdrowych warunków życia, co znalazło swoje odzwierciedlenie w obowiązującym po wojnie w PRL normatywie urbanistycznym oraz wymogów dotyczących nasłonecznienia pomieszczeń mieszkalnych;

3) na s. 10 dwukrotnie pojawia się niezręczne sformułowanie „zależność formy na…”.

Poprawnie byłoby „zależność formy od…”.

Rozdział II. Stan badań

Ta część pracy ma charakter teoretyczny i zmierza do realizacji poznawczej części badań.

Autor omawia istotne współczesne tendencje związane z kierunkami rozwoju cywilizacyjnego, tendencjami w budownictwie, planowaniu przestrzennym, architekturze energooszczędnej, nowości technologicznych dotyczących konwersji energii słonecznej i in.

Kolejny podrozdział (II.2) to analiza stanu badań, w szczególności w zakresie architektury i urbanistyki bioklimatycznej. Trzeci podrozdział to analiza problematyki związanej z doświadczeniami jakich mogą nam dostarczyć analizy świata roślin i zwierząt. Wydaje się, że autor uwzględnił wszystkie istotne, w tym najnowsze, współczesne kierunki i tendencje w zakresie rozpatrywanej problematyki.

Rozdział III. Opis przeprowadzonych badań

W poszczególnych podrozdziałach zawarto tu opis poszczególnych etapów przeprowadzonych badań, poparty autorskimi schematami modeli, rycinami oraz tabelami.

III.1. Przedmiot badań

Autor wprowadza odbiorcę do części badawczej pracy. Zasadniczym aspektem jest optymalizacja układów urbanistycznych zwartej zabudowy pod względem maksymalizacji pozyskiwania energii słonecznej, na co wpływ ma wzajemne zacienianie budynków, ich orientacja względem kierunku południowego, formy oraz kąty pochylenia dachów oraz optymalizacja lokalizacji instalacji solarnych na obudowach budynków. Autor kładzie nacisk na aktywne pozyskiwanie energii słonecznej.

Uwagi

1) poza wcześniej już zasygnalizowaną kwestią równego dostępu do promieniowania słonecznego jako kryterium rozwiązań projektowych, Autor formułuje pięć pytań. Brak wyjaśnienia ich relacji z pytaniami badawczymi zawartymi we Wprowadzeniu do pracy;

2) wydaje się, że przy opisie założeń bardziej klarownie należałoby rozgraniczać wątek optymalizacji struktury tkanki miejskiej oraz form zabudowy i w taki ścisłym podziale omawiać zamierzone badania. W dalszych podrozdziałach nie jest to już problemem.

III.2. Metodyka badań

Krótki podrozdział omawia zastosowaną metodykę. Autor zakłada podział zasadniczej części badań na 6 etapów. Założono: badania porównawcze wybranych fragmentów tkanki urbanistycznej Poznania, modelowanie struktur przestrzennych na podstawie wniosków z analiz porównawczych, poszukiwanie zależności, metod, właściwości struktur przestrzennych pozwalających na zwiększenie potencjału pozyskiwania energii słonecznej, wybór i optymalizacja form przestrzennych struktur zabudowy i budynków według kryterium maksymalizacji zysków energetycznych, porównanie (ponowne?) efektów uzyskiwanych dla

Strona | 4 zabudowy historycznej oraz proponowanej przez autora i wreszcie opracowanie wzorcowej formy zabudowy, która będzie podstawą do dalszych badań.

Uwagi

1) poszczególne etapy w opisie zastosowanej metodyki należałoby uzupełnić o wykorzystane metody i narzędzia badawcze;

2) brak opisu celów oraz oczekiwanych rezultatów poszczególnych etapów badań utrudnia na tym etapie zrozumienie sposobu postępowania autora i zmusza do zagłębienia się w dalszą część pracy bez odpowiedniej świadomości zamierzonej sekwencji czynności badawczych.

Pomocny byłby tu na przykład schemat przepływu wniosków;

3) w pewnym stopniu zamiennie stosowane są sformułowania: (forma) modeli przestrzennych oraz wzory zabudowy. Są one nieprecyzyjne, można się domyślać, że chodzi o strukturę tkanki urbanistycznej. Zastosowanie ma tu także uwaga nr 2) sformułowana do poprzedniego podrozdziału.

III.3. Ograniczenia zakresu badania oraz ich uzasadnienie

Autor uzasadnia ograniczenie badania struktur urbanistycznych do wpływu jednego tylko czynnika: maksymalizacji dostępu do promieniowania słonecznego. Takie założenie nie budzi wątpliwości, niezależnie od oceny sposobu argumentacji, stanowiącego w dużej mierze zaskakujący wywód na temat wpływu czynników bezpieczeństwa na kształtowanie tkanki obszarów zurbanizowanych (s. 142).

III.4. Zakres czasowy badania

W podrozdziale tym, poza informacją o analizie danych dla całego roku kalendarzowego, autor wyjaśnia przyjęcie ograniczenia dziennego czasu naświetlania do czterech godzin przed południem oraz czterech po południu (8.00-16.00). Jest to uzasadnione, ponieważ wpływ danych z godzin gdy słońce jest niżej, a więc gdy cienie są dłuższe, oddziaływałby negatywnie na racjonalność układów zabudowy. Treść podrozdziału poparta jest ilustracjami oraz zestawieniami tabelarycznymi.

III.5. Zakres przestrzenny

Według przyjętej metodyki, istotnym elementem odniesienia dla dalszych badań są wnioski z analizy efektywności pozyskiwania energii słonecznej przez wybrane istniejące struktury przestrzenne. W związku z tym autor określił cechy jakimi powinny charakteryzować się fragmenty tkanki urbanistycznej do badań, mające zapewnić porównywalność wyników. Na tej podstawie zaproponował pięć fragmentów zespołów zabudowy mieszkaniowej wielorodzinnej w kwadratach 300x300 metrów z obszaru Poznania z różnych okresów historycznych, których uwarunkowania rzutowały na układ, skale oraz formy zabudowy:

1900, 1950, 1970, 1990 i 2010. Decyzje badawcze opisane w tym podrozdziale nie budzą zastrzeżeń.

III.6. Użyte oprogramowanie

Opisano wykorzystane narzędzia informatyczne.

III.7. Interfejs programu

Podrozdział zawiera omówienie istotnych aspektów użycia podstawowej z wykorzystanych aplikacji informatycznych - programu Autodesk Eco Tect. Omówiono wykorzystaną bazę danych pogodowych, która pozwala na odniesienie analiz dla konkretnej lokalizacji z uwzględnieniem wieloletnich danych na temat m.in. zachmurzenia. Autor omówił ponadto parametry wymagające określenia w programie, a także zestaw uwzględnionych czynników (w formie tabelarycznego raportu), mających wpływ na wyniki analiz oddziaływania

Strona | 5 promieniowania słonecznego, w tym przyjęte, konieczne uproszczenia. Autor wyjaśnia też zaplanowane procedury badawcze zamierzone w ramach analiz modeli zabudowy.

III.8. Wyniki badań – omówienie wzoru tabeli porównawczej oraz kryteriów oceny wyników badań.

Podrozdział prezentuje układ tabeli porównawczej, która ma posłużyć do prezentacji wyników badań na poszczególnych ich etapach, a ponadto autor objaśnia, często z wykorzystaniem ilustracji, jej treść, na którą składają się czynniki służące do opisu cech poszczególnych modeli struktur urbanistycznych oraz form budynków.

Uwagi:

1) pierwsze dwa zdania są nieco mylące (s. 160): mowa jest o prezentacji trzech najlepszych rozwiązań, tymczasem tabela zawiera de facto sześć modeli (świadczy o tym m.in. ich numeracja), przy czym występują tu trzy pary układów zabudowy, dla każdej pary wspólną cechą jest tożsamość form budynków;

2) mylące jest określenie czynnika 5: strefa pasywna. Być może jest to kwestia przekładu językowego: w kontekście pozyskiwania energii przez elementy budynku jest to raczej strefa aktywna. Może jest to nawiązanie do pasywnego absorbowania energii z czynników atmosferycznych. Niezależnie od tego występuje rozbieżność pomiędzy treścią opisu (s. 161), a ilustracją III_1_12: w opisie podana jest szerokość strefy pasywnej 5 metrów, jako wynikająca z podwojenia wysokości otworu okiennego, tymczasem na ilustracji szerokość ta pokazana jest w relacji do wysokości w świetle całej kondygnacji;

3) autor jako cechę stałą (s. 162, 6. Kąt dachów) przyjął pulpitową formę dachów o nachyleniu północnym oraz kątach umożliwiających integrację instalacji solarnych z płaszczyznami dachów. Jednocześnie przy omawianiu ścian północnych (s. 163, 8. Ściany północne) wskazuje te same dachy pulpitowe jako problem w maksymalizacji stosunku powierzchni ścian południowych do północnych. Nasuwa się zatem pytanie czy założenie stałej formy dachów było właściwe?

III.9. Opis przeprowadzanych badań

Najobszerniejszy podrozdział pracy w 12 punktach zawiera ilustrowany opis kolejnych etapów przeprowadzonych badań:

III.9.1. Miasto Poznań – badanie fragmentów istniejącej zabudowy mieszkaniowej

Celem tej części badań jest uzyskanie wniosków dzięki wykorzystaniu różnych układów istniejącej zabudowy. Wybrano pięć próbek fragmentów struktury miejskiej Poznania z różnych, wspomnianych już wcześniej okresów historycznych. Ich badanie podzielono na dwa etapy. W pierwszym autor badał wartość dostępnego nasłonecznienia, wzajemnego zacieniania budynków oraz potencjał konwersji energii słonecznej. Wybrane formy zabudowy różnią się wartością odsetka powierzchni zabudowanej, układami zespołów, formami budynków, w tym kształtami rzutów, dachów oraz wysokością budynków. Autorowi udało się potwierdzić, że na wyniki końcowe pozytywnie wpływa wysoka wartość powierzchni ścian południowych oraz dachów, negatywnie wpływa wysoka gęstość zabudowy oraz rozczłonkowanie brył powodujące samozacienianie. Najlepszy wynik uzyskała gęsta zabudowa XIX-wieczna dzięki dużej łącznej powierzchni ścian południowych oraz dachów.

W rezultacie tej części badań Autor uzyskał średnią arytmetyczną wydajności badanych struktur istniejącej zabudowy, jako wartość porównawczą do dalszych badań.

W drugim etapie tej części badań autor rozważa strukturę funkcjonalną zabudowy poszczególnych próbek istniejących struktur, udział powierzchni biologicznie czynnych oraz

Strona | 6 tereny zajęte przez komunikację. Rozważania te nie wynikają z przyjętych wcześniej założeń badawczych i nie przyniosły, co przyznaje autor, jednoznacznych rezultatów.

Uwagi

1) podczas omawiania poszczególnych zespołów zabudowy, autor wprowadza wątek poboczny komfortu mieszkańców w takich zespołach, chociaż przy formułowaniu założeń metodycznych deklarował ograniczenie wyłącznie do aspektu efektywności pozyskiwania energii słonecznej;

2) nic nie stało na przeszkodzie aby tabelę ze zbiorczymi wynikami tej części badań zamieścić w tekście zamiast w aneksie.

III.9.2. Wzorcowe modele zabudowy miejskiej – porównanie wydajności w pozyskiwaniu promieniowania słonecznego.

W tej części badań autor przebadał wzorcowe modele układów zabudowy pod względem efektywności w pozyskiwaniu energii słonecznej. Badanie przeprowadzono najpierw w orientacji zgodnej z kierunkami kardynalnymi a następnie w obrocie pod kątem 45^o. Na tym etapie badań znalazła potwierdzenie część tezy mówiąca o tym, że ukształtowanie zabudowy (różne jego aspekty) ma duży wpływ na wydajność energetyczną tkanki urbanistycznej.

W przypadku układów zorientowanych zgodnie z kierunkami kardynalnymi najbardziej efektywny jest model z zabudową na rzutach wydłużonych prostokątnych, zorientowanych wzdłuż osi wschód-zachód (model 2_2). Spośród układów obróconych pod kątem 45^o najbardziej efektywna jest zabudowa dziedzińcowa (model 2_12).

Uwagi

1) w opisie metodyki badań (s. 142) dla tego ich etapu zadeklarowano badanie modeli przestrzennych, których forma wynika z wniosków wypracowanych z analizy fragmentów zabudowy Poznania, tymczasem w opisie badań (s. 182) autor wywodzi modele zabudowy od Martina i Marcha bez związku z analizami zabudowy miasta Poznania – wymaga to wyjaśnienia.

Mając dane z poprzednich etapów, autor przystąpił do najbardziej obszernej części badań, obejmującej największy zbiór analiz, tym razem własnych, modelowych rozwiązań:

III. 9.3. Poszukiwanie optymalnych modeli zabudowy, opartych o rzuty na planach figur podstawowych

Przedmiotem badania tego podrozdziału są układy zabudowy z punktu widzenia różnych cech, głównie cech tworzących je obiektów. Autor poddał badaniu siedem grup modeli, z których pięć zostało wyodrębnionych jako grupy jednorodne pod względem kształtów rzutów budynków, jedna stanowi zbiór modeli składających się z budynków wysokościowych i ostatnia, w której układy elementów mają formy inspirowane budową roślin. Autor sformułował 7 celów przeprowadzanych doświadczeń, w tym zidentyfikowanie najbardziej efektywnego kształtu rzutu, najwydajniejszych energetycznie układów zabudowy, wyodrębnienie trzech form budynków o najlepszych właściwościach, wskazanie efektywniejszego energetycznie z dwóch układów zabudowy: pawilonowego oraz dziedzińcowego, określenie optymalnej powierzchni zabudowy i kubatury, zdefiniowanie detali budynków wpływających na zmniejszenie zacieniania. Modele budowane były z zachowaniem reżimów podobnych do zastosowanych we wcześniejszych etapach (m.in.

wymiary pola powierzchni próbki 300x300 m, powierzchnia zabudowy 20%).

Strona | 7 Autor rozpatruje 5 grup modeli z zabudową o rzutach trójkąta, 3 grupy z rzutami na planie kwadratu (z uwzględnieniem form ze ściętymi narożnikami), 4 grupy z rzutami na planie prostokąta (z uwzględnieniem różnych form wygięcia dłuższych boków), 1 grupę z obiektami o rzucie koła/elipsy, 2 grupy obiektów na planie rombu, 1 grupę z obiektami na planie lancety, w układach kształtowanych z uwzględnieniem analizy cieni rzucanych przez pojedynczy obiekt, 2 grupy modeli z obiektami o formie budynków wysokościowych, wreszcie jedną grupę modeli o układach inspirowanych budową roślin, łącznie 101 modeli we wszystkich grupach. Posługując się opisanym wcześniej narzędziem informatycznym autor przebadał ww. modele pod względem efektywności pozyskiwania energii słonecznej, mierzonej maksymalizacją powierzchni nasłonecznionych w czasie, głębokością strefy pasywnej budynków, wielkością zacieniania i in., dla różnych proporcji i form rzutów obiektów, układów, orientacji względem stron świata, wielkości obiektów itp. Opis analiz każdej grupy modeli składa się ze schematów graficznych, opisu przyjętych założeń , opisu wyników oraz wniosków.

Uwagi:

1) początkową część opisu (w tym założone cele badań) autor odnosi do wszystkich kolejnych punktów tego podrozdziału, co jest nieco mylące;

2) zdziwienie budzi stwierdzenie (s. 186), że przystępując do badań autor miał ograniczoną wiedzę dotyczącą problemu, w związku z tym postanowił przebadać możliwie dużą liczbę rozwiązań, aby zaobserwować prawidłowości. Kłóci się to z ekonomicznością prowadzenia badań, a ponadto autor miał już wyniki dwóch pierwszych etapów badań;

3) wśród wymienianych przez autora celów tego etapu badania niejasności budzą dwa (s.186): czego ma dotyczyć rozwijanie potencjału form w kolejnych etapach badania (rodzajów, liczby, cech energetycznych?) oraz czego dotyczy zakres możliwości pozyskiwania energii? Wymaga to wyjaśnienia.

III. 9.4. Figury podstawowe – badania porównawcze brył na rzucie typowych figur płaskich W tym podrozdziale przedmiotem badania jest efektywność energetyczna (z punktu widzenia energii słonecznej) brył na rzutach typowych figur płaskich, a celem jest znalezienie formy, która przy najmniejszej powierzchni cieni, poziomie zacieniania ścian południowych i dachów oraz najmniejszej możliwej wysokości, pozyskuje największą ilość energii słonecznej (s. 219).

W tym celu autor dążył do określenia kątów dachów najbardziej efektywnych dla poszczególnych kształtów rzutów, sposoby modyfikacji formy i rzutu budynku prowadzące do zwiększenia wydajności oraz optymalizacji pozostałych cech i zakresu odchylenia zabudowy od kierunku północ – południe bez zmniejszania wydajności pozyskiwania energii. Autor założył wyłonienie trzech typów najbardziej efektywnych modeli. W wyniku przebadania 60 modeli, autor wskazuje trzy formy rzutów obiektów o największej wydajności w pozyskiwaniu energii słonecznej i najmniejszej powierzchni rzucanych cieni: trójkąt o kącie rozwarcia ramion 120^o, prostokąt ze ściętymi pod kątem 45^o ścianami wschodnią i zachodnią, kształt lancetowaty o obłych elewacjach (ilustracja III_9_15). Autor konstatuje znaczące różnice w wydajności w efekcie obracania obiektów, co nie jest zaskakujące bo w ten sposób zmienia się wielkość powierzchni ekspozycji oraz wielkość cienia. Jednocześnie pojawia się wniosek, że obracanie obiektów w formie lancetowatej oraz w prostokąta ze ściętymi ścianami w kierunku południowo-wschodnim do wartości 30^o powoduje wzrost efektywności w pozyskiwaniu energii słońca (tab. 34 i 35). Chyba można to uznać za autorskie odkrycie,

Strona | 8 możliwe do precyzyjnego sprawdzenia dzięki zastosowanemu narzędziu informatycznemu, a stanowiące potwierdzenie wielowiekowej zasady orientowania budynków „na godzinę 11”.

Na podstawie powyższych wniosków autor proponuje i poddaje badaniom formę składającą się z dwóch prostokątów (z modyfikacjami), o osiach wzajemnie odgiętych o 30^o (s. 234) oraz o 45^o (s. 236), wykazując ich wysoką efektywność energetyczną, identyczną z najbardziej efektywnymi z badanych wcześniej form elementarnych. Zamiarem autora jest wykorzystanie uzyskanego, efektywnego solarnie tworzywa do budowania kwartałowych układów zabudowy.

III.9.5. Poszukiwanie zależności przestrzennych wpływających na nasłonecznienie i zacienianie

Podrozdział zawiera serię analiz układów obiektów pod względem wpływu różnych zależności przestrzennych na potencjał pozyskiwania energii słonecznej. Badano wpływ relacji wysokości oraz odległości pomiędzy budynkami. Najbardziej chyba intrygującym pytaniem postawionym przez autora na tym etapie, jest to o efektywność kształtowania zabudowy:

rzadko, ale wysoko czy nisko gęsto? (s. 240). Rozważano poszczególne skrajne przypadki kombinacji uporządkowania oraz przypadkowości w rzucie oraz sylwecie. Okazuje się, że najbardziej efektywny jest zróżnicowany układ budynków o jednakowej wysokości. Kolejne badanie, to analiza wydłużonej bryły prostokątnej w różnych ustawieniach względem stron świata. Elementarny charakter tego badania powoduje, że być może powinno ono pojawić się we wcześniejszych podrozdziałach (np. III.9.2). Wówczas też zaskakujący dla doktoranta wniosek, że sumy energii dostępnej na wszystkich ścianach i dachu są bardzo zbliżone niezależnie od ustawienia bryły, mógłby wpłynąć na założenia czynione przed kolejnymi etapami badań (np. w odniesieniu do zakresu szczególnego uwzględniania ścian południowych w badaniach). Kolejna analiza, to badanie granicznej, maksymalnej wydajności układu zabudowy (s. 244). Sprawdzano zależności wynikające z różnych odległości pomiędzy kolejnymi pasami zabudowy oraz wysokości budynków, z uwzględnieniem odpowiedniego kąta nachylenia dachów. Wysoką efektywność (w sensie wysokiej intensywności zabudowy przy zachowaniu potencjału uzysku energii) można uzyskać przy zabudowie w formie ciągłych pasów, zaś efektywność spada w przypadku wolnostojącej formy budynków. Kolejne dwa badania dotyczą wpływu kątów nachylenia dachów (s. 247-248) oraz koncentracji bądź rozproszenia w relacji odwrotnej do wysokości budynków (s. 249-250). W tym ostatnim przypadku okazuje się, że zdecydowanie bardziej efektywna energetycznie jest zabudowa niska gęsta, przy czym w takim przypadku duże znaczenie mają kształty dachów. Kolejna analiza, polegająca na badaniu modeli o stałej kubaturze i wzrastającemu zagęszczeniu zabudowy przy spadającej wysokości potwierdza istotne znaczenie maksymalizacji powierzchni dachów oraz eliminowania ich zacieniania.

W kolejnych trzech podrozdziałach Doktorant poddaje badaniu efektywność ustawień w ramach układów zabudowy składających się z brył na trzech wcześniej wybranych rzutach zidentyfikowanych jako najbardziej efektywne, z uwzględnieniem odległości pomiędzy rzędami budynków (III.9.6), wpływ odległości pomiędzy budynkami tego samego szeregu, z uwzględnieniem wpływu kształtu budynku na kształt rzucanego cienia (III.9.7), wreszcie badania porównawcze układów z budynkami o rzutach na planie różnych rodzajów trójkątów z uwzględnieniem różnic we wzajemnym rozmieszczeniu, orientacji, kątach nachylenia dachów oraz wysokości (III.9.8).

Strona | 9 Na uwagę zasługuje podrozdział III.9.6, gdzie Autor poszukuje mierzalnych zależności, pozwalających skonstruować metodę projektowania optymalnych rozwiązań zespołów zabudowy. Kluczowe aspekty brane pod uwagę, to ograniczenie zacieniania ścian południowych oraz dachów, a także kąty pochylenia dachów. Autor zidentyfikował dwie płaszczyzny, których uwzględnianie przy wyznaczaniu odległości pomiędzy budynkami zapewnia uniknięcie zacieniania dachów przez cały rok.

Jako, że znakomitą większość dotychczasowych badań autor prowadził na wolnostojących obiektach o kształtach wybranych brył, w kolejnym punkcie podrozdziału 9 (III.9.9) postanowił przeanalizować pod interesującym go kątem formy bardziej typowe dla miast europejskich czyli zabudowę dziedzińcową. Autor poddaje badaniom według przyjętych w pracy reżimów w pierwszej kolejności fragment struktury zabudowy według pierwotnego projektu Ildefonsa Cerdy dla Barcelony. Tu spotyka Autora rozczarowanie, bowiem ten model zabudowy wykazuje parametry pozyskiwania energii słońca zdecydowanie poniżej przeciętnych. Jest to tym bardziej zaskakujące, że w początkowej części badań najlepsze wyniki wśród zespołów zabudowy Poznania uzyskał fragment zabudowy XIX-wiecznej.

W dalszej kolejności Autor testuje kolejne modele, zawierające modyfikacje, zmierzające do zwiększenia efektywności pod względem pozyskiwania energii słonecznej, wykorzystując w dużej mierze wnioski z wcześniejszych badań. Najlepsze efekty można uzyskać w przypadku 45^o odchylenia azymutalnego, ale nawet modelowanie kształtów dachów nie przynosi zadowalających rezultatów. Autor wysnuwa wniosek, że sukces XIX-wiecznej tkanki Poznania wynikał z rozczłonkowania zabudowy (elewacji), przyczyniającego się do zwiększenia powierzchni aktywnej ścian. W dalszej kolejności Autor po raz kolejny wykorzystuje zebrane doświadczenia budując modele dalece zmodyfikowanej zabudowy kwartałowej (narastające wysokości budynków, pochylone dachy, wycięte sekwencje narożników, odstępstwa od ortogonalności siatki). Uzyskane wyniki nadal były dalekie od oczekiwań. W ten sposób Autor dochodzi do serii modeli, wobec których kieruje oczekiwania połączenia zalet ekonomiczno-funkcjonalnych tkanki kwartałowej oraz wykorzystania form budynków wcześniej zidentyfikowanych jako najbardziej wydajne. W związku z tym również autor poddaje analizom m.in. układy zabudowy składające się z zaproponowanych przez siebie skrzydeł zabudowy o osiach odgiętych o 30^o oraz sekwencje brył, którym nadaje taki układ, a także modele składające się z kwartałów mających kształt najbardziej efektywnych brył z wydrążonym wnętrzem. Wnioskiem jest wielka trudność osiągnięcia dobrych wyników dla zabudowy kwartałowej. Autor formułuje parametry, które zapewniają maksymalizację wyników dla tego typu zabudowy (s. 304).

III.9.10. Wzory zabudowy oparte o fraktale (s. 305-313)

Autor sprawdza wnioski uzyskane z poprzednich etapów badań w odniesieniu do układów zabudowy kształtowanych na zasadzie budowy fraktali, a więc struktur subtelnie złożonych, zbudowanych w sposób powtarzalny, ale jednocześnie zróżnicowany w zależności od potrzeby. Zarówno charakter problemu, uzyskane dotychczas wyniki, jak i współczesny stan poszukiwań różnych dyscyplina nauki, a także sztuki (por. projekty Zbigniewa Oksiuty) w pełni uzasadniają takie podejście.

III.9.11. Porównanie trzech najlepszych rozwiązań (s. 314-318)

Jest to niejako punkt podsumowujący, gdzie autor poddaje badaniom trzy najbardziej efektywne z przebadanych form zabudowy: bryła na planie trójkąta, wydłużony prostokąt ze

Strona | 10 ściętymi bokami oraz forma atrialna na podobnym rzucie. Autor, stosując wypracowaną wcześniej „metodę dwóch płaszczyzn” za cel postawił sobie dopracowanie rozwiązań szczegółowych i optymalizację w sferze wyników cząstkowych. Analizy pozwalają autorowi na korekty wartości kątowych, zarówno w rzucie, jak i w pionie. Analizy skoncentrowane są na uzyskaniu wysokich wyników cząstkowych oraz uzyskaniu przestrzeni o dobrej jakości.

III.9.12. Model zabudowy generowany przy użyciu wzoru parametrycznego

W ostatnim punkcie części badawczej Autor wykorzystuje doświadczenia z dotychczasowych badań i, przy pomocy gotowego algorytmu, buduje wzór parametryczny, pozwalający na automatyczne generowanie rozwiązań przestrzennych z uwzględnieniem czynników zidentyfikowanych przez autora jako istotne z badanego punktu widzenia. Jest to próba aplikacji wniosków z badań, która umożliwia szybkie i niejako automatyczne modelowanie wielu parametrów zabudowy poprzez prostą zmianę jednego lub kilku parametrów. Wzór został przedstawiony graficznie w postaci grafu (dendrytu?). Autor prezentuje następnie próbki modeli powstałych w wyniku zastosowania opracowanego wzoru, informując o uzyskiwanej zwykle ponadprzeciętnej efektywności w potencjale pozyskiwania energii słonecznej, co ostatecznie potwierdza słuszność przyjętych wcześniej założeń i przydatność wyników przeprowadzonych badań.

Uwagi

1) graficzna prezentacja wzoru parametrycznego jest nieczytelna, widać zależności ale nie można zidentyfikować opisów poszczególnych elementów, wobec czego trudno o jakiekolwiek wnioski na podstawie ilustracji III.9.72.

Rozdział IV. Podsumowanie i wnioski IV.1. Wnioski z przeprowadzonych analiz

Autor podsumowuje zasadnicze wnioski z badań, omawiając wyniki z analiz poszczególnych modeli w aspektach: kształtowania formy obiektów, wzajemnych zależności przestrzennych, kształtowania powierzchni nasłonecznionych oraz modelowania stopnia zacieniania. Należą do nich zidentyfikowane formy elementów budynków, zapewniające maksymalizację efektywności energetycznej w zakresie pozyskiwania energii słońca (dachy pulpitowe o określonym nachyleniu, pionowe ściany południowe o możliwie maksymalnej powierzchni itd.). Podobnie autor wymienia zidentyfikowane, pożądane zależności przestrzenne pomiędzy elementami układu urbanistycznego (s. 326) (orientacja względem stron świata, struktura kompozycji planu). Autor opracował „metodę dwóch płaszczyzn”, która pozwala na wyznaczenie relacji pomiędzy budynkami i rzędami budynków, uwzględniających kształty budynków, ich wysokości, nachylenie dachów i wiążące się z tymi cechami zacienianie. Autor sformułował wskaźniki do wyznaczania odległości pomiędzy budynkami tego samego rzędu dla trzech najbardziej efektywnych brył. Zastosowanie tych wskaźników ma wymiar o tyle praktyczny, że zapewnia iż w okresach od 21 marca do 21 grudnia w godzinach 8.00 – 16.00 budynki o takich kształtach nie będą rzucały na siebie cieni. Tę konstatację można zapewne próbować rozszerzać na budynki o innych kształtach. Autor stwierdza potwierdzenie tezy pracy. Zwraca uwagę na niejednoznaczną rolę stopnia zacieniania (s. 330-331).

Uwagi

1) właściwie druga część tezy została dowiedziona wyłącznie w odniesieniu do kształtowania obiektów nastawionych na pozyskiwanie energii słonecznej. Autor nie analizował problemu w kontekście izolacyjności budynków, proporcji wnętrz, rozmieszczenia wnętrz ogrzewanych i nieogrzewanych, technologii funkcji i szeregu innych jeszcze aspektów. Być może zatem

Strona | 11 należało sformułować tezę z takim właśnie ograniczeniem wyłącznie do efektywności w zakresie pozyskiwania energii słonecznej.

IV.2. Spełnienie celów badania (325-341)

Autor omawia realizację postawionych na wstępie celów badawczych, z podziałem na cele poznawcze, analityczne, aplikacyjne. Te pierwsze dotyczyły głównie pozyskania wiedzy poprzez analizy literatury, w tym najnowszych kierunków badań, teorii i osiągnięć z tym związanych. Cele analityczne dotyczyły przede wszystkim badania potencjału do pozyskiwania energii słonecznej przez fragmenty struktur urbanistycznych Poznania, co pozwoliło na określenie ich średniej efektywności energetycznej i, w wartości podwojonej, wyznaczenie jako pułapu, który powinny osiągnąć modele projektowane przez Autora. Z kolei osiągnięcie celów aplikacyjnych, podzielonych na trzy grupy, to sformułowanie autorskiej metody wyznaczania relacji pomiędzy budynkami z punktu widzenia istotnych dla problemu czynników („metoda dwóch płaszczyn”),określenie schematu modelowej zabudowy śródmiejskiej, wysokowydajnej w pozyskiwaniu energii słonecznej i w końcu sformułowanie ośmiu zaleceń projektowych, mogących stanowić punkt wyjścia do praktycznych zastosowań wniosków z badań

IV.3. Szczegółowe zalecenia projektowe zależne od formy rzutu

Końcowym elementem rozdziału jest zestaw szczegółowych zaleceń projektowych, uzależnionych od formy rzutu obiektu.

5. Ocena formalnej strony pracy

Praca ma formę wydruku komputerowego z wzajemnie stonowaną ciepłą barwą papieru, barwą opisów rozdziałów i przypisów (bocznych!) oraz przeważających odcieni większości ilustracji. Mimo olbrzymiego materiału, Autorowi udało się zachować rozsądną objętość, w tym ograniczyć objętość części zasadniczej poprzez umieszczenie części materiału badawczego w załącznikach. Można zastanowić się nad formą publikacji pozostałego materiału, który nie został umieszczony w pracy. Autorskie ilustracje, występujące w dużej liczbie istotnie podnoszą wartość pracy, a właściwie są jej niezbędnym elementem.

Praca napisana jest bardzo dobrym, czytelnym i komunikatywnym językiem, poza wyjątkami w jasny sposób wyrażającym myśli Autora, dotyczące często złożonych zagadnień. Dość często zdarzają się usterki literowe, w tym w pisowni nazw własnych (jak na s. 9 – Machu Picchu i Priene). Ogólnie formę pracy należy ocenić bardzo wysoko, jako czytelną w odbiorze, komunikatywną, estetyczną.

6. Konkluzja

Mgr inż. arch. Tomasz Piwiński w przedstawionej dysertacji zaprezentował materiał z bardzo obszernych badań naukowych, dotyczących aktualnej problematyki, wykazując umiejętność prawidłowego formułowania problemu badawczego, wyznaczania celów badań oraz doboru metod badawczych. Niezależnie od sformułowanych uwag, praca udowadnia konsekwencję w realizacji kolejnych etapów badań, które poprzez cząstkowe wyniki prowadzą do realizacji założonych celów. Doktorant wykazał niezbędną znajomość warsztatu naukowego oraz współczesnych narzędzi informatycznych oraz biegłość w wykorzystaniu. Powyższe, jak również ilość przeanalizowanego materiału, jak również liczba przebadanych modeli świadczą

Strona | 12 niewątpliwie o pasji badawczej, która, jak należy mieć nadzieję, będzie owocować w przyszłości dalszym zgłębianiem przez Doktoranta tej tematyki.

Uzyskane wyniki mają potencjał aplikacyjny, a zatem należy postulować ich publikację w formie przystępnej, popularyzatorskiej, w postaci tradycyjnego podręcznika lub poradnika w formie elektronicznej w Internecie, w celu wdrożenia wniosków do praktyki projektowej z korzyścią dla efektywności energetycznej nowych obiektów i osiedli.

Powyższe stwierdzenia upoważniają do konkluzji, że przedstawiona przez mgr inż. arch.

Tomasza Piwińskiego dysertacja „Kształtowanie zabudowy mieszkaniowej w celu optymalizacji pozyskiwania energii słonecznej” spełnia wymogi rozprawy doktorskiej w zakresie dyscypliny architektura i urbanistyka i może stanowić przedmiot publicznej obrony.

Białystok, 21 września 2015 r.