Kształt budynku

część 4

Dobrze zaprojektowany budynek powinien zachowywać się w zimie jak kolektor słoneczny i magazyn pozyskanej energii promieniowania słonecznego, a także jak swoista pułapka cieplna. Jednocześnie powinien wykazywać się zdolnością do funkcjonowania w cyklu rewersyjnym, czyli w lecie powinien być kolektorem i magazynem chłodu.
W ciągu dnia w zimie budynek powinien być „otwarty” na oddziaływanie promieniowania słonecznego, w nocy powinien się „zamykać”, aby zachowywać pozyskane
ciepło dzięki ograniczeniu w jak największym stopniu strat ciepła do otoczenia.

Z kolei latem w czasie dnia budynek powinien być „zamknięty”, aby ograniczyć dostęp promieniowania słonecznego, natomiast nocą powinien „otwierać się”, aby umożliwić chłodzenie wnętrza. Dobrze zaprojektowany i wykonany budynek powinien mieć warunki klimatu wewnętrznego praktycznie niezmienne w czasie, niezależne od pory roku i dnia.

Sytuacja taka może zaistnieć, jeżeli zostanie uwzględniony szereg czynników związanych z koncepcją architektoniczną, zastosowanymi materiałami budowlanymi, rozwiązaniami technologicznymi, instalacyjnymi i lokalizacją budynku.

W tym rozdziale rozważano jeden z czynników związanych z koncepcją obudowy budynku, a mianowicie wpływ zorientowania i pochylenia elementów obudowy na dostępność promieniowania słonecznego.

Fasada główna budynku powinna być odpowiednio zorientowana, ekspozycyjna na napromieniowanie słoneczne w zimie i wyposażona w elementy zapewniające zacienienie w lecie, połacie dachu powinny być odpowiednio pochylone i zorientowane.

Zagadnieniami związanymi z wpływem oddziaływania promieniowania słonecznego na obudowę budynku zajmował się już w latach 30-tych XX wieku H.N. Wright, który sformułował pierwsze zalecenia projektowe, co do kształtowania obudowy budynku dla lokalizacji Nowego Jorku uwzględniając tamtejsze warunki napromieniowania. Według Wrighta budynki powinny mieć główną fasadę zwróconą w zakresie kąta azymutalnego od 0 do +45 (od kierunku południowego do południowo – zachodniego). Od tej strony powinny znajdować się pomieszczenia o charakterze mieszkalnym i duże przeszklone powierzchnie obudowy.

Liczba okien i pomieszczeń mieszkalnych powinna być znacznie ograniczona w zakresie kątów azymutalnych od +90 do +135 (od zachodu do północnego – zachodu). Taka koncepcja obudowy budynku miała stworzyć dobre warunki pozyskiwania promieniowania słonecznego w zimie i naturalnego chłodzenia budynku w lecie.

Wright twierdził, że napromieniowanie południowej pionowej fasady budynku jest prawie pięciokrotnie większe w zimie niż w lecie; a północno – zachodniej prawie sześć razy.

PóŹniejsi badacze skorygowali zalecenia Wrighta, m.in. zaproponowali zorientowanie głównej przeszklonej fasady budynku w stronę południową, z możliwością jej odchylania o 30 w kierunku wschodnim bądŹ zachodnim.

Olgyay, jeden z czołowych badaczy wpływu klimatu na budynek, przeciwstawił się uniwersalnym zaleceniom Wrighta odnośnie orientacji budynku (które powstały tylko na podstawie analiz dla Nowego Jorku) i wykazywał istotny wpływ zarówno szerokości geograficznej, jak i innych lokalnych warunków lokalizacji budynku na dostępność promieniowania słonecznego.

Podkreślał on wpływ nie tylko zorientowania budynku, ale i jego wymiarów na ilość pozyskiwanej energii słonecznej. Olgyay twierdził, że dla lokalizacji powyżej 40N szerokości geograficznej południowa pionowa fasada budynku otrzymuje prawie dwukrotnie więcej napromieniowania w zimie niż w lecie, wschodnia i zachodnia dwu i półkrotnie więcej w lecie niż w zimie.

Kwadratowy kształt podstawy budynku nie jest wskazany, choć powierzchnie boczne takiego budynku są lepiej napromieniowywane, niż powierzchnie boczne (o tym samym całkowitym polu powierzchni) budynku o podstawie prostokąta o dłuższych bokach wzdłuż osi północ - południe. Dla zapewnienia oszczędności w zużyciu energii do celów grzewczych i klimatyzacyjnych, tj. dobrego nasłonecznienia w zimie i właściwych warunków mikroklimatycznych w lecie, należy budynki „rozciągać” wzdłuż osi wschód – zachód. W póŹniejszych latach Olgay zajął się zjawiskiem zacienienia obudowy budynku i opracował diagramy drogi Słońca na pozornym nieboskłonie.

Istotny wpływ zorientowania i kształtu budynku na jego bilans energetyczny został uwzględniony już w 1967 w poradniku ASHRAE. Zaznaczono (potwierdzając badania wcześniejsze Olygay), że najbardziej właściwe, ze względu na bilans energetyczny budynku, jest zorientowanie głównej fasady w kierunku południowym
i rozciągnięcie budynku wzdłuż osi wschód – zachód.
Jako najmniej korzystne sklasyfikowano nadanie kształtu budynku o podstawie kwadratu, o orientacji ścian północno - wschodniej, północno - zachodniej, południowo - wschodniej i południowo - zachodniej. Prowadzone w USA w latach 60–80 tych analizy, warunków napromieniowania obudowy budynków wynikały przede wszystkim z ich przegrzewania w okresie letnim, w związku z nadmiernym napromieniowaniem słonecznym.

W tym okresie w Europie nie uwzględniano praktycznie oddziaływania promieniowania słonecznego na budynek. Przede wszystkim koncentrowano się na zmniejszeniu zapotrzebowania na ciepło w czasie sezonu grzewczego, poprzez poprawienie izolacyjności przegród zewnętrznych.

Badania nad możliwością wykorzystania energii promieniowania słonecznego w sposób pasywny do ogrzewania pomieszczeń, dzięki odpowiedniej orientacji, strukturze i kształtowi obudowy budynku, rozwinęły się na przełomie lat 80-90 tych. Prace nad wykorzystaniem rozwiązań pasywnych do ogrzewania budynku prowadzone w USA, i w Europie w większości przypadków ograniczały się do sezonu grzewczego.

Przenoszone bezpośrednio koncepcje rozwiązań pasywnych z krajów niższych szerokości geograficznych do krajów wyższych szerokości, bez ich adaptacji do nowych warunków klimatycznych, doprowadziły do szeregu nietrafnych realizacji.

Co prawda miało to i pozytywne skutki, bowiem przyczyniło się do kompleksowego spojrzenia na budynek jako obiekt energetyczny specjalnie zaprojektowany do współistnienia z otoczeniem w konkretnych warunkach klimatycznych i lokalnych, dla którego ważne jest wykorzystanie zysków słonecznych w zimie i ich ograniczenie w lecie.

Zaczęły pojawiać się nowe kształty budynków z wyeksponowaną zaokrągloną w stronę południową fasadą lub
o przekroju budynku zbliżonym do trapezu o dłuższej podstawie zwróconej na południe.

W kraju tematyka dostępności promieniowania słonecznego dla budynku dla całego roku została podjęta tylko w nielicznych pracach. Z reguły zakres rozważań ogranicza się do sezonu grzewczego.

Obecnie nie ma w kraju zaleceń projektowych odnośnie kształtowania bryły budynku i jego helioaktywnych i heliopasywnych elementów.

Normy polskie wyznaczają standardowy, normowy sposób obliczania zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania budynków. Do obowiązujących w tym zakresie należy norma z lipca 2001 roku PN-B-02025.

Zgodnie z normą przy obliczaniu zapotrzebowania na ciepło pomieszczeń uwzględnia się zyski ciepła słonecznego przez okna w każdym kolejnym miesiącu sezonu grzewczego. Norma podaje sposób liczenia tych zysków, ale tylko dla kolejnych miesięcy sezonu grzewczego.

W załączniku do normy zawarte są dane miesięcznego półsferycznego napromieniowania różnie usytuowanych powierzchni. Dane te są uśrednione za okres tylko dziesięciu lat. Taki okres czasu nie jest wystarczający do tworzenia danych uśrednionych w przypadku dysponowania danymi stochastycznymi, jakimi są parametry pogodowe.

Co więcej, dane normowe nie odzwierciedlają dynamiki zmian napromieniowania, dotyczą bowiem tylko średnich miesięcznych wartości promieniowania półsferycznego, nie uwzględniają rozkładu promieniowania w czasie dnia i zmienności poszczególnych składowych promieniowania, co jest niezbędne w analizie procesów zachodzących w obudowie budynku w wyniku oddziaływania energii promieniowania słonecznego.

Na podstawie danych normowych projektant nie może ocenić, czy dążąc do zwiększenia zysków cieplnych z promieniowania słonecznego w zimie, nie spowoduje przegrzewania części pomieszczeń szczególnie wystawionych na operację słoneczną w miesiącach letnich. Nie znając rozkładu promieniowania w ciągu dnia nie wie jak zaplanować elementy struktury budynku i otoczenia, aby zacieniały przeszklone powierzchnie o odpowiednich porach dnia i roku.

Przy projektowaniu budynków i szacowaniu zapotrzebowania na energię należy spodziewać się coraz częstszego występowania nowego składnika bilansowego, a mianowicie zapotrzebowania na chłód do celów klimatyzacyjnych.
Czynnikiem determinującym wielkość tej energii jest, poza temperaturą powietrza zewnętrznego, poziom napromieniowania powierzchni obudowy budynku, przede wszystkim tych, które są szczególnie wyeksponowane na oddziaływanie promieniowania słonecznego.