Używamy cookies i podobnych technologii m.in. w celach: świadczenia usług, reklamy, statystyk. Korzystanie z witryny bez zmiany ustawień Twojej przeglądarki oznacza, że będą one umieszczane w Twoim urządzeniu końcowym. Pamiętaj, że zawsze możesz zmienić te ustawienia. Szczegóły znajdziesz w Polityce Prywatności.

Środowiskowe aspekty zrównoważonego rozwoju w budownictwie - zagadnienia wiatrowe

27.05.2015

Kształt i wzajemne usytuowanie budynków mogą w niektórych sytuacjach prowadzić do intensywnych lokalnych ruchów powietrza. W strefach tych warunki wiatrowe odczuwane są przez pieszych jako dyskomfortowe.

Zrównoważony rozwój w budownictwie i urbanistyce

Dynamicznie postępujący proces rozwoju miast pociąga za sobą wiele problemów dotyczących zarówno degradacji środowiska, zmian klimatycznych, jak i konieczności zapewnienia komfortowych warunków do życia mieszkańcom miast. Wpływy antropogeniczne, przejawiające się rozwojem przemysłu oraz zwiększeniem powierzchni zabudowanej, spowodowały zmiany charakterystyki termicznej podłoża i warunków przepływu powietrza. Cechami charakterystycznymi klimatu współczesnych miast stały się nadwyżka ciepła oraz osłabiona wymiana powietrza.

Szczególną rolę w działaniach mających na celu harmonijny rozwój obszarów miejskich odgrywa budownictwo i planowanie przestrzenne. Niezbędnym elementem zrównoważonego budownictwa jest stosowanie nowoczesnych technologii oraz innowacyjnych rozwiązań – takich które łączą korzystne efekty ekonomiczne z dbałością o zdrowie i komfort użytkowników oraz środowisko naturalne i klimat.

Biorąc pod uwagę specyfikę obszarów miejskich i rozszerzając zagadnienia budownictwa zrównoważonego o aspekt planistyczny i projektowy, należałoby zwrócić również uwagę na dodatkowe elementy mające wpływ na jakość życia, tj. nasłonecznienie, narażenie na hałas i przewietrzanie [1]. Elementy te nabierają coraz większego znaczenia w kontekście polityki zrównoważonego rozwoju miast, zakładającej konieczność zahamowania rozlewania się obszarów miejskich poprzez ich rozwój dośrodkowy. Prowadzi to niekiedy do zbytniego zagęszczania zabudowy, które skutkuje problemami z przewietrzaniem, nadmiernym hałasem czy ograniczeniem dopływu światła słonecznego w budynkach. O randze tych problemów może świadczyć fakt, że zostały one ujęte w propozycjach elementów środowiskowych uwzględnianych w ocenie oddziaływania budynku na środowisko [2].

W przypadku zwartej zabudowy miejskiej wzajemne oddziaływanie wiatru i słońca decyduje o stopniu energooszczędności określonego układu zabudowy. W zwartej zabudowie ulicznej bilans zysków związanych z kumulacją energii słonecznej przez przegrody zewnętrzne budynku i strat związanych z działaniem wiatru uzależniony jest od:

- stopnia wzajemnego zacienienia budynków oraz różnicy wartości współczynnika przejmowania ciepła na zewnętrznej powierzchni budynku,

- różnicy temperatury powietrza wokół budynku wywołanej oddziaływaniem przepływającego powietrza,

- różnicy strumienia przenikającego do budynku.

 

Rys. 1 Efekt zwężki Venturiego

 

Przepływ powietrza w obszarach miejskich

Przepływ wiatru w środowisku zabudowanym kształtowany jest przez wiele parametrów. Zabudowa miasta i zmienna wysokość budynków powodują wzrost szorstkości dynamicznej podłoża, a tym samym spadek prędkości wiatru przy powierzchni i w całym profilu pionowym nad miastem. Jak wykazały liczne badania klimatu miast, średnie osłabienie prędkości przepływu w centrum dochodzi do 30%, zmniejszając się w strefie zewnętrznej do ok. 15–20% [3]. Coraz częściej spotykanym zjawiskiem stają się cisze atmosferyczne, które w połączeniu z emisją zanieczyszczeń z niskich źródeł (paleniska domowe, pojazdy samochodowe) prowadzą do powstawania groźnego smogu. Dynamiczne oddziaływanie budynków na przepływ powietrza powoduje również silne deformacje kierunku wiatru. Może on ulegać zmianie od kierunku głównego w zakresie od 10o do 20o.

Niezwykle istotnym elementem, kształtującym warunki wietrzności w środowisku miejskim, jest sama bryła budynku, jej kształt i wymiary. Szczególnie intensywny przepływ powietrza charakteryzuje budynki wysokie.Przyrost prędkości notowany jest w tym przypadku zarówno w pobliżu dachu, jak również na poziomie pieszego. Wynika to z faktu, że budynki wysokie mają tendencję do ściągania przepływu w dół po ścianach i tworzenia silnych zawirowań w pobliżu powierzchni ziemi [4].

Obecność większej liczby budynków powoduje tworzenie się charakterystycznych efektów aerodynamicznych. Wśród nich szczególnie silne przyrosty prędkości wywołują efekty: zwężki Venturiego, różnicy ciśnień czy otworów w bryle budynku. Efekt Venturiego (rys. 1) ma miejsce w przypadku usytuowania dwóch szeregów budynków pod kątem mniejszym niż 90°. Długości budynków nie powinny być mniejsze niż 50 m, a ich średnia wysokość nie mniejsza niż 15 m. Warunkiem wystąpienia efektu jest również szerokość luki między budynkami (1/2 H < szerokość luki < 4H) [5]. Taki układ zabudowy wpływa na płynną zmianę przekroju przepływu, który w zależności od kierunku wiatru może spowodować wzrost lub spadek prędkości bez powstawania zawirowań. Wzrost prędkości wiatru w zwężeniu jest proporcjonalny do wysokości budynków. Aby określić wpływ zabudowy na zmianę prędkości wiatru, stosuje się bardzo często bezwymiarowy współczynnik przyspieszenia g. Określa on stosunek prędkości w rozpatrywanym układzie do prędkości na tej samej wysokości, zmierzonej w strefie otwartej. Dla obiektów o wysokości 15 m współczynnik przyspieszenia wynosi 1,2. Wysokość równa 40–50 m powoduje dwukrotny wzrost prędkości wiatru w stosunku do przepływu niezaburzonego.

 

Rys. 2 Efekt różnicy ciśnień

 

Rys. 3 Efekt otworów w bryle budynku

 

Innym efektem, często spotykanym w zabudowie osiedlowej, jest efekt połączenia stref nadciśnienia i podciśnienia. Do jego powstania dochodzi, gdy budynki ustawione są jeden za drugim w odległości nie większej niż ich wysokość oraz dodatkowo, gdy są przesunięte na odległość przekraczającą ich wysokość. Różnice ciśnień powstające na ścianach budynków powodują przyspieszenia przepływu powietrza z miejsc wytworzenia się nadciśnienia w kierunku podciśnienia. Współczynnik przyspieszenia dla budynków o wysokości 15 m wynosi 1,2, a dla 35 m –1,3–1,6 [6]. Wyraźnej zmianie ulega również kierunek przepływu, który pozostaje równoległy do dłuższej ściany budynków jeszcze w znacznej odległości od budynku (rys. 2).

W przypadku budynków z otworem w parterze (przejścia) różnica ciś­nienia między ścianą dowietrzną (nadciśnienie) i zawietrzną (ssanie) powoduje silny przepływ powietrza w obrębie przejścia, rozprzestrzeniający się jeszcze w strefie za budynkiem. Najwyższe notowane wartości prędkości wiatru, wyrażone współczynnikiem gdochodzące do 2,6, pojawiają się tuż za wejściem do pasażu. Jednakże strefa wysokich prędkości obejmuje znacznie większy obszar, wnikając w strefę zawietrzną budynku (rys. 3). Podobne efekty mogą pojawić się w obrębie pojedynczego obiektu o urozmaiconej bryle.

Na terenach osiedli mieszkaniowych o dużej gęstości zabudowy występuje cyrkulacja termiczna spowodowana konwekcją powietrza, wynikającą z silnych kontrastów termicznych między nasłonecznionymi a zacienionymi ścianami budynków. Ma ona szczególne znaczenie w przypadku obszarów słabo przewietrzanych. Wprowadzenie elementów „chłodnych” w postaci zielonych ścian (fot. 1), zielonych dachów, niewielkich zbiorników wodnych czy nawet fontann przyczynia się do wzbudzenia przepływu powietrza. Szczególne znaczenie mają tego typu ruchy powietrza w ciasno zabudowanych kanionach miejskich, w których niemożliwe jest wprowadzenie zmian w samej bryle budynku, np. przez pozostawienie prześwitów w parterach budynków.

 

Fot. 1 Zielona ściana

 

Przedstawione charakterystyczne efekty aerodynamiczne, wywołane oddziaływaniem wiatru na budynki, w przypadku bardziej złożonych struktur zabudowy ulegają zaburzeniom. Wzajemne oddziaływanie na siebie budynków powoduje nakładanie się poszczególnych stref. W efekcie dochodzi do pojawienia się przepływów wtórnych, charakteryzujących się zmiennym kierunkiem i prędkością. W niektórych przypadkach kierunek wiatru ulega zmianie na przeciwny, co może wywołać niespodziewane odczucia dyskomfortu. Szczególnie silne przyrosty prędkości i towarzyszące im nagłe podmuchy wiatru notowane są w przypadku wysokich budynków. Dlatego znajomość charakterystyki przepływów wtórnych ma istotne znaczenie w nowoczesnych centrach miast.

 

Kryteria komfortu wietrznego

Przepływ powietrza wokół budynków i wywołane nim efekty są istotne z punktu widzenia komfortu przebywających w ich sąsiedztwie osób. Kształt i wzajemne usytuowanie budynków może w niektórych sytuacjach prowadzić do intensywnych lokalnych ruchów powietrza. W strefach tych warunki wiatrowe odczuwane są przez pieszych jako dyskomfortowe. Również strefy, w których ruch powietrza jest minimalny, wskutek osłabienia przewietrzania stanowią obszary niekorzystne pod względem warunków aerosanitarnych.

Warunki komfortu pieszych kształtowane są przez wiele czynników, zarówno o charakterze obiektywnym, jak i subiektywnym. Najogólniej czynniki te można podzielić na: związane z człowiekiem, tj. płeć, wiek, rodzaj aktywności, czas przebywania w warunkach wiatrowych, oraz charakteryzujące warunki meteorologiczne, tj. średnia prędkość wiatru, typ wiatru, temperatura i wilgotność powietrza, promieniowanie słoneczne, ciśnienie atmosferyczne. Na uwagę zasługują również czynniki geosocjalne, które odzwierciedlają wpływ przystosowania organizmu człowieka do okreś­lonych warunków klimatycznych. Badanie komfortu wietrznego opiera się najczęściej na parametrach określających mechaniczne oddziaływanie wiatru (średnia prędkość wiatru, prędkość podmuchu, turbulencja itp.), mimo że obecnie podejmowane są próby uwzględnienia również wpływów klimatycznych, takich jak temperatura i wilgotność.

Komfort wietrzny jest nie tylko funkcją prędkości średniej wiatru, ale również jego porywistości.Dlatego przy określaniu kryterium komfortu niekiedy oprócz prędkości średniej wiatru stosuje się prędkość podmuchu lub tzw. efektywną prędkość wiatru, uwzględniającą turbulentny charakter przepływu. Kryterium komfortu składa się z pewnej progowej prędkości wiatru i prawdopodobieństwa jej przekroczenia. Próg dyskomfortu oznacza minimalną prędkość wiatru i poziom turbulencji dla warunków niekomfortowych. W ogólnej postaci można go zapisać jako:

gdzie: Ue – efektywna prędkość wiatru [m/s],

U¯ – średnia prędkość wiatru [m/s],

λ – współczynnik szczytu,

σU – odchylenie standardowe prędkości wiatru [m/s],

UTHR – wartość progowa prędkości wiatru (wszystkie wielkości odnoszą się do poziomu pieszego) [m/s].

Badania eksperymentalne prowadzone w wielu krajach wykazały, że warunki dyskomfortu odczuwane były najczęściej, gdy średnia godzinowa prędkość wiatru wynosiła ponad 5 m/s.

 

Fot. 2 Bridgewater Place w Leeds (fot. Lad 2011, Wikipedia)

 

W rzeczywistości warunki komfortowe nie występują zawsze, jesteśmy więc zmuszeni akceptować przez pewien czas warunki niekomfortowe. Prawdopodobieństwo wystąpienia dyskomfortu i warunków niebezpiecznych definiowane jest jako procentowy udział godzin (w ciągu roku), w których progi są przekroczone. Maksymalny dozwolony udział procentowy uzależniony jest od rodzaju planowanej aktywności człowieka czy przeznaczenia terenu. Najczęściej wyróżnia się strefy, w których człowiek się porusza (wolno, normalnie, szybko), przebywa krótko w ustalonej pozycji lub przebywa długo w ustalonej pozycji. Istotne badania eksperymentalne w tym zakresie prowadzone były przez Lawsona i Penwardena [7]. Analizowali oni skargi właścicieli sklepów zlokalizowanych głównie w pobliżu wysokich budynków. Dlatego  kryterium to (próg i maksymalne prawdopodobieństwo dyskomfortu) określane jest często jako „kryterium właścicieli sklepów”. Obecnie developerzy centrów handlowych w Holandii wymagają prawdopodobieństwa Pmax(Uped > 5 m/s) < 5%. [8].

Różnorodność kryteriów powoduje trudności w porównywaniu uzyskanych wyników. W praktyce wiele firm, jednostek badawczych czy nawet miast przyjmuje odmienne procedury oceny, oparte dodatkowo na własnym doświadczeniu.

Najczęściej stosowane są kryteria komfortu oparte na średniej prędkości wiatru (czas uśredniania waha się od 10 minut do 1 godziny), mierzonej na wysokości od 1,5 do 2,0 m.Przykładem takiego podejścia mogą być kryteria stosowane przez Netherlands Organization for Applied Science Research – TNO w Holandii. W przepisach holenderskich wprowadzono wstępną ocenę wpływu zabudowy na komfort wietrzny. W zależności od wysokości budynku sformułowano następujące zalecenia:

- jeśli wysokość budynku jest większa niż 30 m, konieczne jest przeprowadzenie badań tunelowych lub symulacji numerycznych mających na celu określenie wpływu budynku na warunki komfortu wietrznego;

- jeśli wysokość budynku jest mniejsza niż 15 m, ocena wstępna nie jest wymagana, z wyjątkiem sytuacji gdy geometria budynku jest bardziej złożona (zalecany kontakt z doradcą lub przeprowadzenie analiz – tunel aerodynamiczny, CFD – ang. Computational Fluid Dynamice – analiza numeryczna);

- jeśli wysokość budynku jest większa niż wysokość otaczających zabudowań o 50% i więcej, należy zwrócić szczególną uwagę na warunki komfortu (wymagany kontakt z doradcą lub przeprowadzenie analiz – tunel aerodynamiczny, CFD).

Kryteria stosowane przez Uniwersytet Concordia w Montrealu oparte są na rozporządzeniu władz miejskich Montrealu. Zgodnie z zarządzeniem wymagane jest, aby każdy projekt nowego budynku, wyższego niż 23 m i przewyższającego ponadtrzykrotnie średnią wysokość sąsiednich budynków w promieniu 50 m, spełniał kryteria poniżej.

Maksymalna wartość średniej godzinnej prędkości wiatru na poziomie gruntu (2 m od ziemi) nie powinna przekraczać ustalonej wartości 4 m/s w zimie i 6 m/s w lecie, o więcej niż:

- 10% czasu w przypadku parków i innych obszarów przeznaczonych do wypoczynku,

- 15% czasu dla głównych ulic i stref dużego natężenia ruchu pieszych,

- 25% dla drugorzędnych dróg i stref szybkiego poruszania się.

Ponadto dla budynków wyższych niż 44 m wymagane są badania w tunelu, mające na celu określenie klimatu wietrznego w ich sąsiedztwie [9].

W przeciwieństwie do kryteriów komfortu kryteria bezpieczeństwa powiązane są bezpośrednio z oddziaływaniem wiatru.G. Hunt zaproponował próg „kontroli chodzenia” i próg niebezpieczeństwa

Pierwszy próg może być traktowany jako próg niebezpieczeństwa w przypadku ludzi starszych, natomiast drugi odnosi się do wszystkich ludzi. Maksymalne akceptowane prawdopodobieństwo niebezpieczeństwa wynosi Pmax = 1 godzina/rok lub 0,1%.

W Polsce dotychczas nie wprowadzono do dokumentów normalizacyjnych kryteriów komfortu wietrznego, mimo ogromnej potrzeby związanej z licznie pojawiającymi się w naszych miastach budynkami wysokimi.

Z powodu braku obowiązujących jednolitych kryteriów komfortu decyzja dotycząca warunków akceptowanych należy z reguły do inwestorów. W rezultacie zagadnieniom komfortu wietrznego przypisuje się mniejszą wagę, co niekiedy w późniejszym czasie prowadzi do poważnych konsekwencji ekonomicznych. Przykładem mogą być ciągłe problemy związane z bardzo wysokimi prędkościami przepływu pod wielkim łukiem w dzielnicy La Defence w Paryżu czy spowodowany nagłym podmuchem wiatru w sąsiedztwie Bridgewater Place w Leeds (fot. 2) śmiertelny wypadek w 2011 r.

Aby przeciwdziałać tego typu zjawiskom, ocena warunków wietrznych pod kątem możliwości wystąpienia warunków dyskomfortu pieszych powinna odbywać się już we wczesnej fazie projektu.

 

Rys. 4 Usytuowanie analizowanego budynku

 

Oddziaływanie wiatru na budynek

Przepływ powietrza uwarunkowany układem zabudowy odgrywa również istotną rolę w przebiegu procesów konwekcji czy odparowania zachodzących zarówno na zewnętrznej powierzchni przegród, jak i w ich strefach przypowierzchniowych.Przy określaniu zmian współczynnika przejmowania ciepła wywołanych oddziaływaniem wiatru, a tym samym wielkości strat ciepła konieczna jest znajomość rozkładu prędkości wokół budynku. Uzyskanie tego typu informacji możliwe jest między innymi dzięki zastosowaniu symulacji numerycznej.

W celu zobrazowania zjawiska wpływu wiatru na straty ciepła dokonano analizy numerycznej (CFD) przepływu powietrza wokół budynku wielorodzinnego. Uzyskane wyniki wykorzystano jako dane wejściowe do analiz energetycznych. Rozpatrywany budynek stanowił część układu zabudowy złożonego z pięciu (rys. 4)  jedenastokondygnacyjnych budynków położonych w strefie podmiejskiej.

Analizowany układ budynków stanowi pierwszą przeszkodę dla napływającego powietrza z kierunku zachodniego. W wyniku badań symulacyjnych uzyskano rozkład prędkości wiatru wokół budynku. Dodatkowo określono prędkości wiatru w wybranych punktach kontrolnych zlokalizowanych w sąsiedztwie zachodniej, dowietrznej ściany budynku. Punkty boczne znajdowały się w odległości 2 m od krawędzi budynku, górne w odległości 1,5 m, dolne zaś w odległości 3 m. Lokalizację punktów pomiarowych przedstawiono na rys. 5.

Rys. 5 Rozmieszczenie punktów kontrolnych

 

W przypadku zachodniego kierunku napływającego powietrza prostopadłe usytuowanie budynku w stosunku do kierunku wiatru osłabia przepływ. Badania CFD wykazały znaczące różnice w rozkładzie prędkości wiatru w pobliżu ściany zewnętrznej budynku. Prędkość wiatru wahała się od 0,4 m/s w centralnej części ściany do 4,15 m/s w górnym narożniku [10].

Analizy energetyczne wykonano, wykorzystując model numeryczny zaimplementowany do programu ESP-r (Environmental System Performance) [11]. W pierwszej kolejności dokonano analizy symulacyjnej dla uzyskanej z badań CFD maksymalnej i minimalnej wartości prędkości wiatru zanotowanej w sąsiedztwie badanej elewacji zachodniej. Obliczenia wstępne wykazały, że maksymalne różnice strumienia strat ciepła pojawiające się w porze nocnej są istotne dla obliczeń energetycznych (największe różnice temperatury) i wynoszą 216 W/m2 (ok. 30%) [12].

W dalszej kolejności określono strumienie strat ciepła na drodze przewodzenia dla każdego punktu charakterystycz­nego, wyznaczonego na elewacji. Wyniki dla cyklu 12-godzinnego przedstawiono na rys. 6–8. Uzyskane wartości porównano ze strumieniami strat ciepła wyznaczonymi dla prędkości powietrza zgodnie z profilem przepływu niezaburzonego (strefa niezabudowana). Przyjęte prędkości wynosiły 2,39 m/s; 3,90 m/s i 4,64 m/s odpowiednio na 1, 2 i 3 poziomie. Na wykresach oznaczono je z „o”.

Największe różnice zanotowano w przypadku dolnej części budynku, charakteryzującej się wyraźnymi lokalnymi zakłóceniami przepływu, spowodowanymi nagłym przyspieszeniem lub spowolnieniem strug opływającego powietrza (rys. 6). W analizowanym przypadku zachodni wiatr powoduje przyrost prędkości, szczególnie w pobliżu lewego narożnika. Pociąga to za sobą znaczący wzrost strumienia strat ciepła na drodze przewodzenia. Z drugiej strony straty ciepła w strefie B1 są dużo niższe (ok. 25%) niż w przypadku stref górnych i bocznych. Centralna cześć analizowanej ściany wykazuje największe pionowe różnice w strumieniach strat ciepła (rys. 6–7). Stosunkowo niewielkie zmiany prędkości wiatru i strumienia strat ciepła (rys. 8) zanotowano na poziomie górnym, usytuowanym w odległości 1,5 m poniżej krawędzi dachu (ok. 10%) [12].

 

Rys. 6 Strumienie strat ciepła dla zachodniego kierunku wiatru i prędkości oszacowanych w punktach A1, B1 i C1 w porównaniu z wartością wyjściową 2,39 m/s

 

Rys. 7 Strumienie strat ciepła dla zachodniego kierunku wiatru i prędkości oszacowanych w punktach A2, B2 i C2 w porównaniu z wartością wyjściową 3,90 m/s

 

Rys. 8 Strumienie strat ciepła dla zachodniego kierunku wiatru i prędkości oszacowanych w punktach A3, B3 i C3 w porównaniu z wartością wyjściową 4,64 m/s

 

Kaniony zabudowy

Coraz częściej w centrach miast zachodzi zjawisko nadmiernego zagęszczania zabudowy. W efekcie powstają wąskie kaniony zabudowy, w obrębie których panują specyficzne warunki mikroklimatu. Silnym przekształceniom podlega zarówno przepływ powietrza, jak i dopływ promieniowania słonecznego. Jednym z przykładów może być układ budynków powstały w wyniku rewitalizacji kompleksu Manufaktura w Łodzi.

 

Możliwości wykorzystania energii wiatru w terenach miejskich

Ochrona przed efektem cieplarnianym staje się jednym z głównych celów polityki ekologicznej większości państw. Coraz większą uwagę zwraca się na możliwości wykorzystania energii wiatru w obszarach miejskich. Nagłe zmiany prędkości wiatru, gwałtowne podmuchy czy lokalne strefy ciszy powodują wiele utrudnień w wykorzystaniu energii wiatru w miastach. Szczególnie interesującym rozwiązaniem wydaje się być zastosowanie turbin o pionowej osi obrotu, dobrze sprawdzających się w warunkach mniej korzystnych zasobów wiatrowych i mniejszego zapotrzebowania na energię.

Do głównych zalet tego rozwiązania należą m.in.: niezakłócona praca przy zmiennym wietrze i niewielkiej prędkości, łatwa instalacja, ograniczony wpływ na środowisko, w tym ptactwo, a także mniejsze oddziaływanie akustyczne. Turbiny o pionowej osi obrotu (VAWT) mogą być stosowane w obszarach o mniej korzystnych zasobach wiatrowych. Praca turbiny rozpoczyna się już przy prędkości 2 m/s. Zmiany kierunku wiatru charakterystyczne dla obszarów zabudowanych nie mają wpływu na sprawność turbiny.

 

Fot. 3 Oklahoma Medical Research Foundation (fot. Wikipedia)

 

Małe turbiny wiatrowe, zwłaszcza o pionowej osi obrotu, są łatwe do wkomponowania w otoczenie lub bryłę budynku. Coraz częściej spotykane są turbiny zintegrowane z budynkiem.W rozwiązaniach tego typu wykorzystuje się między innymi zjawiska aerodynamiczne wywołane układem zabudowy bądź samą bryłą budynku. Najczęściej turbiny lokalizowane są:

między budynkami, przy wykorzystaniu efektu zwężki Venturiego,

- w kanale przechodzącym przez budynek (efekt różnicy ciśnień),

- na dachu budynku.

Koncepcja umieszczania turbin wiatrowych na dachach budynków może wkrótce znaleźć szerokie zastosowanie. Symulacje komputerowe wskazują na ok. 30-procentowe zwiększenie prędkości wiatru kilka metrów nad dachem i na jego krawędzi w porównaniu do przepływu w terenie otwartym. Według obliczeń na skutek koncentracji przepływu wywołanej układem zabudowy na wysokości 5 m ponad dachem budynku, o wysokości 20 m, zlokalizowanym w zabudowie miejskiej panują podobne warunki wiatrowe jak w terenie niezabudowanym na wysokości 10 m [14].

Turbiny z pionową osią obrotu są coraz częściej wykorzystywane w terenach miejskich i sytuowane na szczycie budynków (fot. 3). Działanie  turbin oparte jest na sile oporu lub aerodynamicznej sile nośnej.

 

Rys. 9 Wektory prędkości w płaszczyźnie poziomej na wysokości 3 m nad poziomem gruntu. Przedstawiony model przepływu powoduje zróżnicowany rozkład prędkości i kierunku wiatru w sąsiedztwie północnej elewacji mniejszego z budynków. Wyraźnie zaznacza się jego asymetryczny charakter. Maksymalne różnice w prędkości dochodzą do 3,14 m/s. Jednocześnie następują bardzo wyraźne zakłócenia w kierunkach przepływu powietrza (rys. 10)

 

Rys. 10 Wektory prędkości w płaszczyźnie pionowej 1 m od elewacji północnej. Zaobserwowane zjawisko może mieć szczególne znaczenie w analizach zacinającego deszczu, a także w procesach niszczenia materiałów na skutek oddziaływania klimatu i zanieczyszczeń powietrza

 

W sąsiedztwie budynku fabryki tekstylnej przekształconej w muzeum usytuowano nowy obiekt handlowy. W efekcie powstał specyficzny układ budynków tworzących wąski pasaż o szerokości ok. 4,5 m. W celu analizy warunków wiatrowych powstałych w nowym układzie zabudowy przeprowadzono symulację numeryczną przy założeniu napływu powietrza z kierunku zachodniego [13], ogólny model przepływu – rys. 9.

 

dr hab. inż. Katarzyna Klemm

Politechnika Łódzka

 

Literatura

1. M. Stawicka-Wałkowska, Budownictwo przyjazne środowisku naturalnemu w aspekcie strategii zrównoważonego rozwoju, Sekcja Fizyki Budowli, Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN, Łódź 2011.

2. A. Panek, Metoda oceny oddziaływania na środowisko obiektów budowlanych, Biblioteka Monitoringu Środowiska, Warszawa 2002.

3. J. Lewińska, K. Zgud, J. Baścik, J. Wiatrak, Klimat obszarów zurbanizowanych,  IGPiK, Warszawa 1990.

4. S. Murakami, K. Uehara, H. Komine, Amplification of wind speed at ground level due to construction of high-rise building in urban area, „Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics” nr 4/1979.

5. T.V. Lawson, Wind effects on building, vol. 1, London, Applied Science Publishers Ltd., 1980.

6. J. Gandemer, Les effects aerodynamiques du vent dans les ensembles batis, „Tech­nique et Architecture” nr 325/1979.

7. T.V. Lawson, A.D. Penwarden, The effects of wind on people in the vicinity of buildings, Proc. 4 th Int. Conf. on Buildings and Structures, Heathrow, UK, 1975.

8. J.A.Wisse, H.W. Krüs, E. Willemsen, Wind comfort assessment by CFD, Proc. of COST Action C14 Workshop, Nantes 2002.

9. K. Klemm, Kompleksowa ocena warunków mikroklimatu w luźnych i zwartych strukturach urbanistycznych, Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN, Warszawa 2011.

10. K. Klemm, Przepływ wiatru w złożonych strukturach zabudowy a straty ciepła w budynkach, „Energia i Budynek” nr 3/2007.

11. J.A. Clarke, Energy simulation in building design, 2nd edition, Oxford: Butterworth-Heinemann, 2001.

12. D. Heim, K. Klemm, The effect of wind loads on conduction heat loses in high rise buildings, 21st International Conference Passive and Low Energy Architecture, Eindhoven 2004.

13. K. Klemm, Wpływ zmian w układzie zabudowy na przepływ powietrza, „Fizyka budowli w teorii i praktyce”, tom VI, nr 2, 2011.

14. G.J.W. Van Bussel, S.M. Mertens, Small wind turbines for the built environment, The Fourth European & African Conference on Wind Engineering, Prague, 11–15 July, 2005. 

www.piib.org.pl

www.kreatorbudownictwaroku.pl

www.izbudujemy.pl

Kanał na YouTube