Projektowanie budynków energooszczędnych wymaga umiejętności wnikliwego analizowania warunków lokalizacyjnych i maksymalnego wykorzystania ich potencjału.
Zasady dotyczące projektowania budynków energooszczędnych w dużym stopniu opierają się na tworzeniu optymalnych relacji między obiektem budowlanym a otoczeniem. Budynki kształtowane są tak, by możliwie dużą powierzchnią otwierały się na zyski słoneczne (cieplne i świetlne), zachowując przy tym zwartość, zwłaszcza w strefach największych strat ciepła. Tej zasadzie podlega także wymiarowanie powierzchni przeszklonych elewacji. Coraz częściej wykorzystuje się wentylację naturalną jako podstawową lub wspomaganą systemami mechanicznymi, co wymaga uzyskania optymalnej relacji formy budynku i jego przestrzeni wewnętrznych do układu aerodynamicznego w bezpośrednim otoczeniu. Istotna jest także charakterystyka materiałowa otoczenia, sąsiedztwo zieleni i zbiorników wodnych. Elementy te we właściwym położeniu względem budynku mogą korzystnie regulować jego mikroklimat, redukując tym samym potrzebę wytwarzania go w sposób sztuczny, czyli energochłonny. Wszystko to powoduje, że projektowanie budynków energooszczędnych wymaga umiejętności wnikliwego analizowania warunków lokalizacyjnych i maksymalnego wykorzystania ich potencjału.
Obszary miejskie tworzą specyficzny kontekst środowiskowy. Charakteryzują się one m.in.: dużą intensywnością zabudowy, deficytem otwartej przestrzeni i terenów biologicznie czynnych, dużą emisją zanieczyszczeń i ciepła antropogenicznego. Naturalne czynniki klimatyczne ulegają transformacji.
Do najistotniejszych różnic w stosunku do terenów niezurbanizowanych należą: mniejsze usłonecznienie (5–15%), większe zachmurzenie (5–10%), mniejszy dopływ promieniowania słonecznego (10–30%), wyższa temperatura, zmniejszenie różnic między temperaturą dnia i nocy, zmniejszenie prędkości wiatrów (20–30%), przyspieszanie wiatrów o niskich prędkościach, zmiany kierunków wiatru (10–20º), mniejsza przezroczystość atmosfery, większa częstotliwość mgieł. Generalnie jakość warunków klimatycznych na terenach silnie zurbanizowanych jest niższa niż na ich obrzeżach. Wykorzystanie ich potencjału dla budynków energooszczędnych jest więc utrudnione i wymaga nieco innego podejścia niż w przypadku budynków lokalizowanych na terenach otwartych lub słabo zurbanizowanych.
Podjęte tu rozważania dotyczą zjawisk klimatycznych zachodzących w obszarze wnętrz urbanistycznych stworzonych przez zwartą zabudowę miejską, a szczególnie ich zależności od kształtu zabudowy. Podlegają one silnemu zróżnicowaniu, to znaczy w tym samym czasie na stosunkowo małym obszarze mogą występować znaczne różnice nasłonecznienia, temperatury, wietrzności i wilgotności. Zjawiska te nie są w pełni zbadane przez współczesną naukę. Artykuł jest próbą przybliżenia tej rzadko podejmowanej problematyki i wykazania, że jej uwzględnienie jest niezbędne do określenia drogi rozwoju budownictwa energooszczędnego, adekwatnego do uwarunkowań polskich miast.
Rys. 1 Schematyczne przykłady różnicowania wysokości zabudowy w układzie ulicy prowadzącym do maksymalizacji zysków słonecznych i minimalizacji strat ciepła
Mikroklimat wnętrz urbanistycznych a kształt zabudowy
Nasłonecznienie, temperatura i przepływ powietrza to czynniki klimatyczne najsilniej wpływające na gospodarkę energetyczną budynków. Ich charakterystyka na terenach intensywnie zabudowanych jest wyraźnie uzależniona od kształtu zabudowy, a zwłaszcza geometrii przestrzeni między budynkami. Dwa podstawowe typy wnętrz urbanistycznych to ulica i plac (plac publiczny lub np. wnętrze w kwartale zabudowy). Znawcy klimatologii odnoszą się najczęściej do H/S – parametru wyrażającego proporcję wysokości budynków w stosunku do odległości między nimi. Im większą wartość ma ten współczynnik, tym większa intensywność zabudowy i tym głębsze jest wnętrze ulicy bądź placu.
Część promieniowania, które bezpośrednio dociera między budynki, ulega odbiciu lub wypromieniowaniu do atmosfery. Pozostała część jest akumulowana w powierzchniach o dużej pojemności cieplnej: utwardzonym podłożu oraz ścianach i dachach budynków. Ilość i rozkład energii słonecznej dopływającej do przestrzeni ulicy i padającej na budynki zależy od orientacji ulicy oraz od współczynnika H/S. Im jego wartość jest większa (tzn. im głębsza, węższa jest ulica), tym bardziej nierównomiernie dystrybuowana jest energia słoneczna.
Zależności te analizował Anthony J. Arnfield. Według jego badań dla szerokości geograficznej Polski w czerwcu ściany ulicy o współczynniku H/S = 0,25, położonej na osi północ–południe, otrzymują czterokrotnie więcej promieniowania niż ściany ulicy przy H/S = 4. Dla prostopadłej ulicy różnica jest prawie dwukrotna. Im głębsza jest przestrzeń ulicy, tym mniejsze znaczenie ma jej orientacja. Dla H/S o wartości 2, 3 i 4 promieniowanie 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 wszystkich badanych profili ulicy.
Rozkład promieniowania słonecznego w przestrzeni ulicy wpływa na jej charakterystykę termiczną. Latem temperatura panująca między budynkami jest wyraźnie wyższa niż w strefie ponad dachami. Największe różnice występują nocą w głębokich przestrzeniach ulic, 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 powierzchni. 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 wąskich, głębokich ulic 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).
Geometria zabudowy ma także znaczenie dla cyrkulacji powietrza między budynkami. Istotne jest, aby wiatr pozwalał na wymianę powietrza w przestrzeni ulic i placów i chronił je przed letnim przegrzewaniem. Jednak jego prędkość nie powinna być zbyt duża, zwłaszcza w okresach zimnych, ze względu na dyskomfort przechodniów i zwiększanie potrzeb grzewczych budynków.
Problemy niedostatecznej wymiany powietrza pojawiają się, gdy zabudowa jest intensywna i tworzy zamknięte układy. Proces wymiany powietrza w obszarze ulicy, podobnie jak w przypadku nasłonecznienia, zależy od parametru H/S, szczególnie gdy wiatr wieje prostopadle do osi ulicy. Gdy wartość parametru H/S przekracza 0,75, powietrze wewnątrz ulicy podlega zamkniętemu ruchowi wirowemu, gdyż nie ma dość przestrzeni, aby napływający wiatr wniknął w głąb ulicy. Jeżeli przestrzeń jest zamknięta z obu stron, np. jest to dziedziniec w zabudowie kwartałowej, zjawisko to może występować przez znaczną część roku.
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), a przewężenia zabudowy powodują gwałtowne przyspieszenia wiatru (efekt dyszy). Na układ aerodynamiczny wokół zabudowy składa się więc wiele wzajemnie na siebie wpływających zjawisk, które można rozpoznać, wyłącznie badając każdorazowo wybraną sytuację.
Rys. 2 Osiedle mieszkaniowe BedZED w Londynie (proj. ZEDfactory) – przekrój budynku ukształtowanego wg zasady tzw. koperty słonecznej w układzie pionowym
Rozwiązania energooszczędne w budynkach na terenach silnie zurbanizowanych
Zarysowana charakterystyka uwarunkowań klimatycznych miasta skłania do rozważań, czy można wskazać rozwiązania energooszczędne najbardziej właściwe dla zabudowy miejskiej.
Środowisko zurbanizowane ogranicza możliwości stosowania rozwiązań nakierowanych na oszczędność energii i pozyskiwanie jej ze źródeł naturalnych. Tym bardziej, im bardziej intensywna jest zabudowa. Problemy związane z ograniczeniem dopływu energii słonecznej, niekorzystnymi zjawiskami aerodynamicznymi czy przegrzewaniem przestrzeni miejskich i budynków, jak wykazano powyżej, nasilają się wraz z zacieśnieniem zabudowy, jej intensyfikowaniem i uzupełnianiem w sposób tworzący zamknięte układy geometryczne. Poza tym im bardziej zwarta zabudowa, tym bardziej budynki ją uzupełniające podlegają konieczności dostosowania ich kształtu do zabudowy sąsiadującej. Swoboda orientowania budynku względem słońca czy wiatru, a także formowania go jest znacznie ograniczona. Tak więc wachlarz znanych rozwiązań energooszczędnych związanych z kształtowaniem przestrzennym budynku i jego rozwiązaniami elewacyjnymi jest znacznie uboższy w stosunku do sytuacji, w których kontekst otoczenia nie wpływa zasadniczo na uwarunkowania mikroklimatyczne. Na terenach zurbanizowanych powszechnie znane podręcznikowe zasady kształtowania budynków energooszczędnych wymagają modyfikowania, tak aby odpowiadały indywidualnym możliwościom danej działki oraz potrzebom budynków i przestrzeni miejskich.
Geometria wnętrz urbanistycznych
Podstawowym zaleceniem dla budynków energooszczędnych jest dążenie do zwartości formy oraz wyeksponowania jej na zyski słoneczne.Urbanistyka oparta na zasadzie wyraźnie uformowanych ulic i placów sprzyja formom zwartym. Trudniejsze jest jednak dążenie do pasywnego pozyskiwania energii cieplnej ze słońca. W przypadku głębokich, wąskich ulic dolne partie budynków czerpią ze słońca w niewielkim stopniu, nawet przy orientacji południowej. Trudno także wykorzystać możliwości formowania planu budynku, tak by się otwierał na ekspozycję południową, a elewacja północna została zminimalizowana (zasada tzw. koperty słonecznej). Podczas projektowania warto jednak rozważyć możliwości ukształtowania profilu pionowego ulicy w sposób zgodny z tą zasadą. Przykładowe rozwiązania pokazano na rys. 1.
Korzystne może się okazać wprowadzenie asymetrii profilu ulicznego, płaszczyzn skośnych lub zaokrąglonych. Dzięki temu można otworzyć nawet niezbyt szeroką ulicę na słońce oraz zróżnicować powierzchnie elewacji dobrze i słabo nasłonecznionych na korzyść tych pierwszych (rys. 2). Powierzchnie nachylone mogą zaś posłużyć do sytuowania instalacji aktywnie pozyskujących energię słoneczną. Podobne zasady kształtowania profilu ulicy mają także znaczenie dla cyrkulacji powietrza. Rozszerzanie ulic w górnych strefach może ograniczyć opisywane wyżej trudności wentylowania wąskich ulic przy wiatrach prostopadłych.
Rys. 3 Przekrój przez budynek biurowy w Cambridge (USA, proj. Behnisch & Partner) ze schematem wentylacji i oświetlenia budynku światłem dziennym (instalacja heliostatyczna na dachu i w atrium); strzałkami szarymi zaznaczono drogę pozyskiwania słonecznego promieniowania świetlnego, czarnymi – wentylację naturalną: 1 – heliostat, 2 – zwierciadło, 3 – przeszklenie dachu atrium, 4 – żaluzje ruchome, 5 – „ściana świetlna” z żaluzjami odbijającymi światło, 6 – panele stalowe, 7 – system płytek odbijających światło, 8 – naturalny ruch powietrza zużytego, 9 – ściana dwupowłokowa z otworami wentylacyjnymi, 10 – elewacje z otwieranymi oknami (opracowanie własne wg [11])
Strefowanie wertykalne
Wytyczne do projektowania energooszczędnych budynków zalecają grupowanie pomieszczeń wg potrzeb termicznych i świetlnych, czyli tzw. strefowanie funkcji. Pomieszczenia o dużym zapotrzebowaniu na ciepło i światło (np. strefy dzienne mieszkań) i dużych rozmiarach powinny zajmować strefy lepiej eksponowane na słońce (południowe, zachodnie), a pomieszczenia o mniejszym zapotrzebowaniu, wytwarzające ciepło i niewielkie – strefy gorzej nasłonecznione. W przestrzeni ulicy zastosowanie typowego strefowania funkcji nie zawsze jest możliwe, zwłaszcza gdy proporcje profilu ulicy powodują zacienienie dolnej strefy przez znaczną część dnia. W tej sytuacji rozważać można różnicowanie funkcji budynków w pionie, w zależności od warunków nasłonecznienia. Dolne kondygnacje powinny mieścić funkcje niewymagające bezpośredniego dostępu promieniowania oraz o dużym obciążeniu termicznym. Górne kondygnacje o znacznie większych możliwościach w zakresie pasywnego pozyskiwania energii słonecznej powinny mieścić funkcje związane ze stałym przebywaniem ludzi i dużych potrzebach w zakresie bezpośredniego oświetlenia światłem dziennym.
Podobna zamiana układu horyzontalnego na wertykalny dotyczyć może zasad rozmieszczania elementów przeszklonych, ukierunkowanych na pasywne pozyskiwanie energii słonecznej. W niezacienianych budynkach wolno stojących należy umieszczać duże okna i struktury szklarniowe od południa. Od wschodu i zachodu udział przeszkleń względem ścian pełnych powinien być mniejszy, a od północy powinno być ich jak najmniej. Tak więc różnicowanie wielkości przeszkleń odbywa się na obwodzie budynku. W przypadku ulic różnicowanie to może przebiegać wertykalnie, czyli dolne strefy powinny mieć mniej okien niż górne, lepiej nasłonecznione. Analogicznie zewnętrzne elementy ochrony przeciwsłonecznej (np. wysunięte części elewacji, okiennice, żaluzje, rolety) mogą być potrzebne jedynie w górnych pasach ścian.
Niezależność od orientacji
Dla budynków tworzących zwarte ulice najwłaściwsze mogą się okazać rozwiązania prowadzące do oszczędności energii, które nie wymagają określonej orientacji względem stron świata. Należą do nich te, w których elementy pozyskujące energię odnawialną lokalizowane są na płaszczyźnie dachu, a nie na elewacjach. W zabudowie miejskiej to właśnie dachy tworzą najkorzystniejszą płaszczyznę do sytuowania instalacji aktywnie pozyskujących energię: kolektorów słonecznych, ogniw fotowoltaicznych, turbin wiatrowych. Są bowiem mniej narażone na zacienianie i przesłanianie niż ściany budynków. Dachy mają także znaczenie dla możliwości stosowania elementów przestrzennych pozyskujących energię z sposób pasywny i regulujących mikroklimat wnętrz budynków, np. przestrzeni atrialnych i elementów kominowych. O ile prawidłowe zastosowanie atrium z przeszkloną elewacją w budynku tworzącym ulicę jest możliwe jedynie przy właściwej orientacji względem słońca i braku zacieniania przez sąsiednią zabudowę, o tyle atrium wewnętrzne jest rozwiązaniem uniwersalnym (rys. 3).
Orientacja budynku i stopień zacienienia jego ścian nie wpływają zasadniczo na sposób działania takiego atrium. Pozwala ono także na poprawę warunków oświetlenia wnętrza światłem dziennym, które w przypadku ciasnych wnętrz urbanistycznych mogą być niezadowalające.
Korzystne mogą się także okazać mało popularne w Polsce kominy słoneczne i wieże wiatrowe.Pod względem bioklimatycznym działają podobnie jak atria, jednak mają charakter zdecentralizowany, przez co mniej wpływają na układ przestrzenny budynku. Dzięki nim budynki o głębokich traktach mogą osiągnąć komfortowe warunki mikroklimatu wnętrza (równomierne oświetlenie światłem dziennym, naturalna wymiana powietrza) i funkcjonalną elastyczność.
Dachy są także możliwością dla ekspansji roślinności. Wprowadzanie jej na płaszczyzny dachowe w zwartej zabudowie jest bardziej uzasadnione niż na terenach otwartych, bogatych w tereny biologicznie czynne. Oprócz wielu innych zalet zieleń dachowa korzystnie wpływa na warunki termiczne budynku, izolując go przed zimnem i chroniąc przed przegrzewaniem.
Zaawansowanie technologiczne, energia ze źródeł odnawialnych
Trudności ze swobodą orientowania budynków w układzie ulicy i ich słaba ekspozycja na słońce ograniczają możliwości stosowania pasywnych metod pozyskiwania energii i racjonalnego nią gospodarowania. Proste, tradycyjne zasady, związane z formowaniem budynków, kształtowaniem ich układu przestrzenno-funkcjonalnego, rozwiązywaniem elewacji, zdecydowanie łatwiej wykorzystać w budynkach wolno stojących. W przypadku budynków lokalizowanych w zwartych układach zabudowy większe znaczenie będą miały energooszczędne instalacje grzania, chłodzenia i wentylacji, systemy BMS ukierunkowane na racjonalizację gospodarki energetycznej, systemy odzysku wody itp. Szczególnie użyteczne mogą się okazać rozwiązania technologiczne umożliwiające tzw. transport światła dziennego w głąb budynków, niezależnie od zacienienia jego elewacji, czy systemy zielonych dachów i elewacji w miejscach, gdzie są one jedyną szansą na zwiększenie powierzchni biologicznie czynnej.
O ile wykorzystanie energii cieplnej słońca jest utrudnione w przestrzeniach miejskich, o tyle stanowią one unikatowy potencjał wykorzystania energii wiatru. Aktualny stan wiedzy i dostępne technologie nie pozwalają go w pełni wykorzystać, ale jest to z pewnością obszar rozwojowy. Przejawem zainteresowania tą formą energii są pierwsze realizacje obiektów wysokościowych z turbinami wiatrowymi (np. Bahrain World Trade Center w Manamie, proj. Atkins; Pearl River Tower w Guangzhou, proj. SOM; Castle House w Londynie, proj. Hamiltons Architects). Podejmowane są także próby integrowania drobnych nieuciążliwych elementów pozyskujących wiatr (np. turbiny o pionowej osi obrotu, elementy z materiałów piezoelektrycznych) z budynkami o niewielkiej skali.
Analizując uwarunkowania mikroklimatyczne danej przestrzeni, można określić jej energetyczny potencjał, a także rozpoznać problemy wymagające rozwiązania. Istotne jest, by widzieć projektowany budynek lub zespół budynków nie jako wartość jednostkową, ale jako element większego fragmentu zabudowy. Taki sposób myślenia tworzy nową wartość do rozważań nad kierunkami rozwoju budownictwa energooszczędnego i wykorzystania odnawialnych źródeł energii na terenach zurbanizowanych. Tkanka miejska, projektowana całościowo lub uzupełniana, powinna tworzyć harmonijny układ – nie tylko ze względu na uwarunkowania urbanistyczne, ale także mikroklimatyczne i energetyczne. Wprowadzenie nowej zabudowy wymaga rozważań, w jaki sposób należy ją kształtować, by nie pogorszyć warunków istniejących, i czy w sytuacjach problematycznych możliwa jest ich poprawa. Dotyczy to szczególnie zjawisk aerodynamicznych, których badania dowodzą, że konsekwencje wprowadzenia nowego budynku mogą być odczuwalne dalej niż tylko w jego bezpośrednim sąsiedztwie.
Zarysowana w tym artykule charakterystyka uwarunkowań mikroklimatycznych przestrzeni ulic miejskich pokazuje, z jak złożonymi zagadnieniami mamy do czynienia. Stan wiedzy na ich temat nie jest wystarczający i wymaga pogłębiania. Uwidacznia się szczególna rola badań interdyscyplinarnych, które podjęte we wczesnym etapie projektu mogą znacząco wpłynąć na logikę tworzenia i dobierania rozwiązań energooszczędnych.
dr inż. arch. Katarzyna Zielonko-Jung
Wydział Architektury Politechniki Warszawskiej
UWAGA: Artykuł powstał w oparciu o referat prezentowany przez autorkę na 61. Konferencji Naukowej KILiW PAN i KN PZITB Bydgoszcz-Krynica 2015.
