BUDOWNICTWO O ZOPTYMALIZOWANYM POTENCJALE ENERGETYCZNYM CONSTRUCTION OF OPTIMIZED ENERGY POTENTIAL

Transkrypt

1 BUDOWNICTWO O ZOPTYMALIZOWANYM POTENCJALE ENERGETYCZNYM CONSTRUCTION OF OPTIMIZED ENERGY POTENTIAL 1(19) 2017

2

3 POLITECHNIKA CZĘSTOCHOWSKA CZESTOCHOWA UNIVERSITY OF TECHNOLOGY BUDOWNICTWO O ZOPTYMALIZOWANYM POTENCJALE ENERGETYCZNYM CONSTRUCTION OF OPTIMIZED ENERGY POTENTIAL 1(19) 2017 Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej CZĘSTOCHOWA 2017

4 RADA REDAKCYJNA: Redaktor naczelny: dr hab. Małgorzata Ulewicz prof. nadzw. Redaktorzy tematyczni: prof. dr hab. inż. Tadeusz Bobko dr hab. inż. Lucjan Kurzak prof. nadzw. dr hab. inż. Krzysztof Werner prof. nadzw. Redaktor statystyczny: dr inż. Anna Lis RADA NAUKOWA: dr hab. inż. arch. Gulnara Abdrassilova prof. nadzw. Kazachska Główna Akademia Architektury i Budownictwa, Kazachstan prof. dr inż. arch. Alevtina Balakina Moskiewski Państwowy Uniwersytet Budowlany, Rosja prof. dr hab. inż. Zinoviy Blikharskyy Politechnika Lwowska, Ukraina prof. dr hab. inż. Tadeusz Bobko Brzeski Państwowy Uniwersytet Techniczny, Białoruś prof. dr hab. inż. Radim Čajka Techniczny Uniwersytet w Ostrawie, Czechy prof. dr hab. inż. Givi Gavardashvili Gruziński Uniwersytet Techniczny, Gruzja prof. dr hab. inż. Mario Guagliano Politechnika w Mediolanie, Włochy prof. dr hab. inż. arch. Nina Kazhar Politechnika Częstochowska, Polska prof. dr inż. Agnieszka J. Klemm Uniwersytet Kaledoński w Glasgow, Wielka Brytania doc. dr inż. Peter Koteš Żyliński Uniwersytet w Żylinie, Słowacja prof. dr hab. inż. Darja Kubečková Techniczny Uniwersytet w Ostrawie, Czechy doc. dr inż. Vincent Kvočák Techniczny Uniwersytet w Koszycach, Słowacja dr inż. Anna Lis Politechnika Częstochowska, Polska Sekretarz redakcji: mgr inż. Anna Śpiewak redakcjabozpe@bud.pcz.czest.pl Redaktorzy językowi: prof. dr hab. inż. arch. Nina Kazhar mgr Zdzisława Tasarz mgr Lucyna Żyła Redaktorzy techniczni: mgr inż. Dorota Boratyńska inż. Robert Świerczewski dr hab. inż. Izabela Major prof. nadzw. Politechnika Częstochowska, Polska prof. dr. hab. inż. Viktor Mileikovskyi Kijowski Narodowy Uniwersytet Budownictwa i Architektury, Ukraina prof. dr hab. inż. Luís Andrade Pais Uniwersytet Beira Interior, Portugalia dr hab. inż. Marlena Rajczyk prof. nadzw. Politechnika Częstochowska, Polska prof. dr hab. inż. Myroslav Sanytsky Politechnika Lwowska, Ukraina dr hab. inż. Jacek Selejdak prof. nadzw. Politechnika Częstochowska, Polska prof. dr hab. inż. arch. Oleg Sergeychuk Kijowski Narodowy Uniwersytet Budownictwa i Architektury, Ukraina dr hab. inż. Igor Shubin prof. nadzw. Instytut Naukowo-Badawczy Fizyki Budowli, Rosja dr hab. inż. Vladimir Talapov prof. nadzw. Nowosybirski Państwowy Uniwersytet Architektury i Budownictwa, Rosja dr inż. Adam Ujma Politechnika Częstochowska, Polska dr hab. Małgorzata Ulewicz prof. nadzw. Politechnika Częstochowska, Polska prof. dr hab. inż. Josef Vičan Żyliński Uniwersytet w Żylinie, Słowacja prof. dr hab. inż. Zuzana Vranayová Techniczny Uniwersytet w Koszycach, Słowacja RECENZENCI: dr hab. inż. Ryszard Dachowski prof. nadzw. (Polska), dr inż. Bernadeta Dębska (Polska), dr hab. inż. Mariusz Filipowicz prof. nadzw. (Polska), dr inż. Robert Grygo (Polska), dr inż. Arch. Anna Gumińska (Polska), prof. dr hab. inż. Jerzy Hoła (Polska), dr hab. inż. arch. Anna Januchta-Szostak prof. nadzw. (Polska), dr hab. inż. arch. Krystyna Januszkiewicz prof. nadzw. (Polska), prof. dr hab. inż. Jacek Katzer (Polska), prof. dr hab. inż. arch. Nina Kazhar (Polska), dr hab. inż. Marta Kosior-Kazberuk prof. nadzw. (Polska), dr inż. Karolina Kurtz-Orecka (Polska), dr hab. inż. Izabela Major prof. nadzw. (Polska), prof. dr hab. inż. Henryk Nowak (Polska), dr hab. inż. Zdzisław Pawlak prof. nadzw. (Polska), prof. dr hab. inż. Myroslav Sanytsky (Ukraina), dr inż. Aleksandra Repelewicz (Polska), dr inż. Zbigniew Respondek (Polska), dr inż. Łukasz Sadowski (Polska), dr inż. Monika Siewczyńska (Polska), dr inż. Aleksandr Spiridonov (Rosja), dr inż. Tomasz Steidl (Polska), dr inż. Paula Szczepaniak (Polska), dr hab. inż. Norbert Szmolke prof. nadzw. (Polska), dr hab. inż. arch. Bogusław Szuba prof. nadzw. (Polska), dr inż. Adam Ujma (Polska), dr hab. inż. Agata Zdyb prof. nadzw. (Polska), dr hab. inż. Vasyl Zhelykh prof. nadzw. (Ukraina) Wersją pierwotną czasopisma jest wersja drukowana Czasopismo jest indeksowane w bazach: BazTech Index Copernicus

5 SPIS TREŚCI Тагир А. Ахмяров, Александр В. Спиридонов, Игор Л. Шубин Перспективы применения технологий и систем активного энергосбережения, энергоэффективных вентилируемых ограждающих конструкций при строительстве, реконструкции и капитальном ремонте жилых и общественных зданий... 9 Bogdan Langier, Alina Pietrzak Ocena wybranych właściwości kompozytów fotokatalitycznych Łukasz Sadowski, Jerzy Hoła Wpływ kwarcowych dodatków mineralnych modyfikujących beton warstwy wierzchniej na jego zespolenie z podkładem betonowych Hanna Borucińska-Bieńkowska Wpływ lokalizacji i formy budynku na jego właściwości energooszczędne Marek Ramczyk, Krzysztof Pawłowski Instrumenty prawne i ekonomiczne wspierające budownictwo energooszczędne w Polsce Ryszard Dachowski, Paulina Kostrzewa Silikaty w świetle ekologii i ekonomii Daniel Wałach, Marek Cała, Krzysztof Ostrowski, Justyna Jaskowska-Lemańska Analiza wpływu separowanych popiołów dennych na mrozoodporność betonu Maximilian Pawlaczyk, Krzysztof Pawłowski Analiza parametrów fizykalnych dachów zielonych i ich złączy w świetle nowych wymagań cieplnych Paula Szczepaniak, Hubert Kaczyński Energooszczędność rozwiązań podłóg na gruncie w budynkach ze ścianami jednowarstwowymi Татьяна Ткаченко, Виктор Милейковский Исследование влияния травяного покрова на температуру грунта для кровельного озеленения Piotr Sobierajewicz Rewitalizacja zabudowy miejskiej w aspekcie energetycznym i ekologicznym Kamil Różycki Termomodernizacja budynku użyteczności publicznej w polskich warunkach klimatycznych Justyna Juchimiuk Architektura energoefektywna i wykorzystanie OZE w skali miasta... 89

6 Виктор Милейковский, Ольга Шуваева Исследование эффективности солнечного отопительного прибора для пассивного отопления в регионах с длительной облачной погодой Zbigniew Respondek Rozkład obciążeń środowiskowych w wielokomorowej szybie zespolonej Mariusz Kosiń, Krzysztof Pawłowski Numeryczna analiza złącza przegrody zewnętrznej wykonanej w technologii szkieletowej Anna Lis, Adam Ujma Ocena redukcji niskiej emisji po modernizacji budynku przy różnych wariantach nośników energii

7 CONTENTS Tagir A. Akhmyarov, Alexander V. Spiridonov, Igor L. Shubin Prospects of application of technologies and systems of active energy saving, the power effective ventilated envelopes and fenestration at construction, reconstruction and capital repairs of residential and commercial buildings... 9 Bogdan Langier, Alina Pietrzak Evaluation of some properties of photocatalytic composites Łukasz Sadowski, Jerzy Hoła Effect of selected quartz mineral admixtures applied in added concrete on their adhesion to concrete substrate Hanna Borucińska-Bieńkowska The influence of location and form of a building on its energy efficiency Marek Ramczyk, Krzysztof Pawłowski Legal and economic instruments supporting in the energy-efficient building industry in Poland Ryszard Dachowski, Paulina Kostrzewa Sand-lime products in the light of ecology and economics Daniel Wałach, Marek Cała, Krzysztof Ostrowski, Justyna Jaskowska-Lemańska Influence of separated coal bottom ash on frost resistance of concrete Maximilian Pawlaczyk, Krzysztof Pawłowski Analysis of physical parameters of green roofs and their partition in light of current thermal requirements Paula Szczepaniak, Hubert Kaczyński The energy efficiency of the slab on the ground solutions for buildings with single-leaf walls Tatiana Tkaczenko, Viktor Mileikovskyi Study on the influence of grass layer on ground temperature of green roof Piotr Sobierajewicz Revitalization of urban construction in energetical and ecological aspects Kamil Różycki Thermomodernization of a sample public building which is located in Polish climate conditions Justyna Juchimiuk Energy active architecture and renewable energy sources in urban scale Viktor Mileikovskyi, Olga Shuvaeva Research of efficiency solar heating device for passive heating in the regions with prolonged cloudy weather... 95

8 Zbigniew Respondek Distribution of environmental loads in multi-chamber insulating glass units Mariusz Kosiń, Krzysztof Pawłowski Numerical analysis of external wall made in wood and steel structure technology Anna Lis, Adam Ujma Assessment of low emission reduction after modernization of building by different variants of fuel type selecting

9 Budownictwo o Zoptymalizowanym Potencjale Energetycznym 1(19) 2017, s DOI: /bozpe Тагир А. АХМЯРОВ, Александр В. СПИРИДОНОВ, Игор Л. ШУБИН Научно-исследовательский институт строительной физики, Рассия ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЙ И СИСТЕМ АКТИВНОГО ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ, ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ ВЕНТИЛИРУЕМЫХ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ, РЕКОНСТРУКЦИИ И КАПИТАЛЬНОМ РЕМОНТЕ ЖИЛЫХ И ОБЩЕСТВЕННЫХ ЗДАНИЙ Приведены результаты, преимущества и промежуточные выводы по новейшим теоретическим и экспериментальным исследованиям новых принципов повышения комфортности микроклимата и энергетической эффективности наружных ограждающих конструкций зданий и сооружений различного назначения с минимальным энергопотреблением. Показано, что для энергоэффективных вентилируемых ограждающих конструкций (ЭВОК) возможно повысить энергетическую эффективность в несколько раз относительно существующих современных ограждающих конструкций и действующих норм. Применение ЭВОК позволит обеспечить практически полную рекуперацию теплового потока и влаги, включая светопрозрачные конструкции, что открывает новые перспективы для строительства и реконструкции зданий (сооружений, теплиц) с большим процентом остекления. Ключевые слова: энергоэффективные вентилируемые светопрозрачные ограждающие конструкции, система активного энергосбережения, рекуперация трансмиссионного, радиационного тепла и влаги ВВЕДЕНИЕ В результате исследований, проведенных в НИИ строительной физики в г., авторами были предложены новые принципы проектирования наружной оболочки зданий и сооружений различного назначения с использованием активной рекуперации выходящего тепла и влаги, а также разработаны энергоэффективные вентилируемые ограждающие (ЭВОК) и светопрозрачные (ЭВСОК) конструкции [1-5]. Нами были теоретически обоснованы новые принципы проектирования [1, 2], экспериментально подтверждена их эффективность [5]. Кроме того, совместно с рядом фирм - партнеров были разработаны предложения по использованию технологий активной рекуперации в реальных ограждающих и светопрозрачных конструкциях [3, 4].

10 10 Т.А. Ахмяров, А.В. Спиридонов, И.Л. Шубин 1. РЕКУПЕРАЦИЯ ТЕПЛА B СВЕТОПРОЗРАЧНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ В ходе исследований нами были: получены очень высокие показатели по рекуперации (возврату) уходящего из помещения теплового потока; определены оптимальные расстояния между теплозащитными экранами различного вида в наружной камере межстекольного пространства светопрозрачных конструкций; обеспечены условия образования плоской турбулентной струи в наружной камере межстекольного пространства; установлены минимальные расстояния между теплоотражающими экранами и ограждающими конструкциями, при которых функционирует разработанный принцип повышения энергетической эффективности; определены оптимальные режимы подачи наружного воздуха в специально образованную наружную прослойку; проведена оценка эффективности использования современных рекуператоров мембранного типа совместно с энергоэффективными вентилируемыми ограждающими и светопрозрачными конструкциями. В качестве механизмов воздействия на выходящий из здания тепловой поток были использованы комплексные физические процессы. В ходе исследований в климатических камерах НИИ строительной физики были достигнуты: рекуперация выходящего теплового потока через ограждающие конструкции с КПД выше 95%; рекуперация тепла вентиляционных выбросов с КПД выше 94%; рекуперация влаги: через ограждающие конструкции с КПД 100%, а у вентиляционных выбросов - с КПД выше 84%; обеспечение нормативных показателей энергетической эффективности конструкций, запланированных к 2020 г., что значительно выше, чем у существующих ограждающих и светопрозрачных конструкций и существенно выше требований действующих нормативно-технических показателей; возможность создания комфортных условий в помещениях за счет обеспечения энергоэкономичного воздухообмена в 2-3 раза выше требований действующих санитарных норм; практическое исключение возможности образования конденсата на поверхностях ограждений, а также минимизация возможностей разрушения остекления светопрозрачных конструкций за счет т.н. «эффекта термошока»; возможность регулирования и оптимизации тепло-влажностного режима внутри ЭВОК и ЭВСОК при иx эксплуатации в зависимости от наружных условий; повышение теплотехнической однородности конструкций за счет изоляции воздушным потоком теплопроводных включений, а также повышение тепловой устойчивости ограждения.

11 Перспективы применения технологий и систем активного энергосбережения, 11 Можно констатировать, что разработанные ограждающие и светопрозрачные конструкции фактически готовы к практическому внедрению, в новом строительстве, при реконструкции и капитальном ремонте существующих зданий. Основные преимущества разработанных конструкций ЭВОК и ЭВСОК при использовании их в строительстве следующие: малая материалоёмкость, относительно невысокая стоимость, примерно сопоставимая с ценой традиционных конструкций, экономичность; высокая долговечность, высокая энергoэффективность, экологическая чистота; возможность использования в ограждающих конструкциях материалов с большей теплопроводностью, чем это предполагается действующими нормами за счет эффективной рекуперации выходящего теплового потока; возможность применения комбинаций из сертифицированных промышленно выпускаемых ограждающих конструкций, что минимизирует необходимость дополнительной сертификации ЭВОК и ЭВСОК; возможность снижения требований к ограждающей конструкции - за счет применения новых принципов проектирования, не увеличивая сопротивления теплопередаче существующих конструкций, что очень перспективно при реконструкции и капитальном ремонте зданий. Российская Федерация стоит перед сложной задачей по реновации, повышению комфортности и тепловой модернизации большей части ранее построенных зданий и инфраструктуры. Это связано с неудовлетворительным состоянием многих сооружений. С учётом огромного объема жилого фонда встает вопрос, возможно ли адекватно и своевременно провести необходимые улучшения или дополнительные мероприятия по санации этих зданий во избежание серьезных социальных и других проблем. Необходимость мероприятий по энергосбережению в РФ обосновывается и тем, что в период с 1917 г. а по 2000 г. было построено более 3.5 млд м 2 жилых зданий [6] (по данным Минстроя РФ - общая площадь зданий в РФ млд м 2, в том числе млд м 2 жилых зданий [7]), энергетические потери которых не отвечают современным требованиям. По данным Министерства регионального развития РФ (2012 г.) средние затраты на отопление в жилых зданиях на всей России составляют квт час/(м 2 год) (в 5 7 раз выше, чем в Германии и других странах ЕС). В некоторых типах зданий они достигают 680 квт час/(м 2 год). Более того, по данным Мосгосэкспертизы, несмотря на то, что в Своде Правил СП «Тепловая защита зданий» (актуализированная редакция СНиП ) для многоэтажных зданий, проектируемых для г. Москвы, для удельных затрат на отопление и вентиляцию был установлен предел в 95 квт час/(м 2 год), в построенных зданиях (что было установлено неоднократными проверками зданий возведенных в г.) эти затраты находились на уровне квт час/(м 2 год). С учетом постоянного роста тарифов на тепловую энергию и неопределенности на глобальных рынках углеводородного сырья (а также в связи с мизерным использованием нетрадиционных и возобновляемых источников энергии

12 12 Т.А. Ахмяров, А.В. Спиридонов, И.Л. Шубин в нашей стране) такая ситуация является чрезвычайно опасной с точки зрения энергетической безопасности страны. Известно, что в середине 2000-х годов в ряде регионов была запущена программа по реновации и санации жилых зданий, построенных в 60-е - 70-е годы прошлого века. Основные работы предполагали утепление стен за счет различных вариантов наружного утепления, замену окон и ремонт или замену некоторых коммуникаций. Предполагалось, что за счет этих мероприятий возможно будет снизить расходы на эксплуатацию жилых помещений на 25 30%. К сожалению, мониторинг реконструированных домов показал значительно меньший энергетический эффект - по результатам обследований, проведенных Мосгосэкспертизой и другими заинтересованными организациями, снижение потребления энергии в них не превышало 10%. Это связано как с неудачными схемами реконструкции, качеством работ, так и с неэффективными дешевыми материалами и решениями, использованными при реконструкции. Недавно были приняты изменения в законодательство, касающиеся капитального ремонта зданий, которые предполагают софинансирование этих работ собственниками жилых помещений. Кроме того, Минстроем РФ и Правительством г. Москвы практически подготовлен комплект документации по реконструкции жилых зданий старой постройки. Хочется надеяться, что контроль со стороны ТСЖ сможет изменить ситуацию в лучшую сторону, а при реконструкции и капитальном ремонте зданий будут использоваться новые энергосберегающие материалы и конструкции, в том числе - и разработанные авторами в НИИ строительной физики. 2. ЭЛЕМЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИЯ АКТИВНОГО ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ После разработки первых конструкций с использованием некоторых технологий активного энергосбережения, энергетическая эффективность которых была доказана в статьях [3-5], необходимо продолжить исследования в направлении максимального использования нетрадиционных и возобновляемых источников энергии, инновационных систем вентиляции и отопления, а также других инженерных систем, обеспечивающих повышенный уровень комфортности помещений и эффективности и удобства эксплуатации. При внедрении в практику строительства этих инновационных энергоэффективных вентилируемых ограждающих, светопрозрачных конструкций можно обеспечить: повышение уровня комфортности помещений с регулировкой защиты от внешних воздействий и теплохладоаккумуляцией энергии приточного воздуха в любых условиях внешней среды в зимний, летний и переходный период; использование фотоэлектрических панелей, солнечной и ветровой энергии (в том числе, - разрабатываемых приточных и вытяжных ветровых вентиляционных эжекторных дефлекторов повышенной энергоэффективности); сокращение отопительного периода в большинстве климатических районах страны за счет эффективного использования выходящего из помещений теплового потока и тепла вентиляционных выбросов.

13 Перспективы применения технологий и систем активного энергосбережения, 13 Необходимо активизировать использование в новом строительстве, при реконструкции и капитальном ремонте зданий различного назначения и других элементов и технологий активного энергосбережения. К ним можно отнести [2]: автоматически регулируемую вытяжную вентиляцию с механическим побуждением и естественным притоком через вентиляционные клапаны в окнах или в наружных ограждающих конструкциях; теплонасосные системы теплоснабжения (отопления и горячего водоснабжения); системы, рекуперирующие и утилизирующие теплоту вентиляционных выбросов и канализационных стоков; эффективные отопительные приборы с регулируемой теплоотдачей; системы автоматизированного учета потребления энергоресурсов и управления микроклиматом, обеспечивающих экономию энергии и снижение пиковых электрических нагрузок; системы, использующие солнечную, ветровую, геотермальную энергию и др.; системы аккумулирования тепла и холода, в основном вентиляционного воздуха, с использованием материалов с возможностью фазовых переходов; механические приточно-вытяжные системы вентиляции с рекуперацией и утилизацией теплоты и влаги вентиляционных выбросов; наружные ограждения с рекуперацией тепла, в том числе энергоэффективные вентилируемые ограждающие конструкции с активной рекуперацией выходящего теплового потока и выходящей влаги. Сегодня имеются все принципиальные технические решения, с помощью которых возможно эффективно решить многие проблемы, возникающие на этом пути. Более того, 2 мая 2015 г. компания TESLA анонсировала выпуск компактных и эффективных аккумуляторов Power Wall (10 квт чac) и Power Pack (100 квт чac), которые помогут решить вопросы сохранения солнечной и ветровой энергии, в том числе, и в автономных зданиях, расположенных в местностях, где нет централизованных источников энергоснабжения (рис. 1). Рис. 1. Компактный аккумулятор Tesla Power Wall

14 14 Т.А. Ахмяров, А.В. Спиридонов, И.Л. Шубин ЗАКЛЮЧЕНИЕ НИИ строительной физики планирует в ближайшее время провести исследования в области перспективных ограждающих конструкций и инженерных систем с применением технологий активного энергосбережения при строительстве, реконструкции и капитальном ремонте зданий различного назначения в регионах РФ. Авторы приглашают заинтересованных специалистов к сотрудничеству в этой необычайно актуальной области. ЛИТЕРАТУРA [1] Ахмяров Т.А., Беляев В.С., Спиридонов А.В., Шубин И.Л., Система активного энергосбережения с рекуперацией тепла, Энергосбережение 2013, 4, с [2] Ахмяров Т.А., Спиридонов А.В., Шубин И.Л., Принципы проектирования и оценки наружных ограждающих конструкций с использованием современных технологий «активного» энергосбережения и рекуперации теплового потока, Жилищное строительство 2014, 6, с [3] Ахмяров Т.А., Спиридонов А.В., Шубин И.Л., Энергоэффективные вентилируемые ограждающие конструкции с активной рекуперацией выходящего теплового потока, Жилищное строительство 2014, 10, с [4] Ахмяров Т.А., Спиридонов А.В., Шубин И.Л., Энергоэффективные вентилируемые светопрозрачные ограждающие конструкции, Энергосбережение 2014, 8, с [5] Ахмяров Т.А., Лобанов В.А., Спиридонов А.В., Шубин И.Л., Эффективность вентилируемых ограждающих и светопрозрачных конструкций с активной рекуперацией выходящего теплового потока, Жилищное строительство 2015, 3. [6] Шубин И.Л., Спиридонов А.В., Проблемы энергосбережения в российской строительной отрасли, Энергосбережение 2013, 1, с [7] Терентьев Д.М., Повышение энергоэффективности зданий, строений и сооружений. Задачи Минстроя России, Энергосбережение 2015, 3, с PROSPECTS OF APPLICATION OF TECHNOLOGIES AND SYSTEMS OF ACTIVE ENERGY SAVING, THE POWER EFFECTIVE VENTILATED ENVELOPES AND FENESTRATION AT CONSTRUCTION, RECONSTRUCTION AND CAPITAL REPAIRS OF RESIDENTIAL AND COMMERCIAL BUILDINGS Results, advantages and intermediate conclusions on the newest theoretical and pilot studies of the new principles of increase of comfort of a microclimate and energy efficiency of the envelopes and fenestration of buildings and constructions of different function with the minimum energy consumption are given. It is shown that for the energy efficient ventilated envelopes (EEVE) it is possible to increase energy efficiency several times of the envelopes and fenestration which are rather existing modern and existing rules. Application of EEVE will allow to provide almost full recovery of a thermal stream and moisture, including fenestration that opens new prospects for construction and reconstruction of buildings (constructions, greenhouses) with big percent of a glazing). Keywords: energy efficient ventilated fenestration and facade, system of active energy saving, recovery of transmission and radiation heat and moisture

15 Budownictwo o Zoptymalizowanym Potencjale Energetycznym 1(19) 2017, s DOI: /bozpe Bogdan LANGIER, Alina PIETRZAK Politechnika Częstochowska, Wydział Budownictwa OCENA WYBRANYCH WŁAŚCIWOŚCI KOMPOZYTÓW FOTOKATALITYCZNYCH W artykule omówiono fotokatalityczne właściwości dwutlenku tytanu oraz jego zastosowania w technologii kompozytów cementowych. Przedstawiono wyniki badań eksperymentalnych cementu TioCem CEM II/A-S 42,5R i cementu portlandzkiego CEM I 42,5R w oparciu o testy wykonane na beleczkach z zaprawy normowej oraz zaprawy na bazie piasku i kruszywa drobnego. Słowa kluczowe: dwutlenek tytanu, fotokatalizator, cement TioCem, beton fotokatalityczny WPROWADZENIE W dzisiejszych czasach znaczną wagę przywiązuje się do wzrostu świadomości społeczeństwa na temat ochrony środowiska naturalnego. Współczesna działalność człowieka niezaprzeczalnie wpływa na nie w coraz większym stopniu, bowiem eksploatowanie naturalnych złóż na ogromną skalę stawia pod znakiem zapytania istnienie wielu gatunków, negatywnie wpływa na klimat i przyspiesza jego ocieplenie, co także może być brzemienne w skutkach. Niezwykle istotne staje się więc zrozumienie konsekwencji podejmowanych przez nas decyzji i działań, racjonalne kształtowanie środowiska, a przede wszystkim odpowiednie i odpowiedzialne gospodarowanie jego zasobami, które kurczą się z dnia na dzień. W dobie ciągle rozwijającego się przemysłu, w tym także przemysłu budowlanego, zwiększony nacisk kładzie się na poszukiwanie innowacyjnych materiałów i technologii przyjaznych środowisku i wpływających na jego eksploatację w jak najmniejszym stopniu. Do tego typu materiałów można zaliczyć materiały fotokatalityczne. Według [1], rozwój fotokatalitycznych materiałów budowlanych może przyczynić się do oczyszczenia powietrza i poprawy poziomu zrównoważonego rozwoju. Bardzo dobrym fotokatalizatorem, czyli substancją, która inicjuje reakcję katalityczną w obecności światła i nie jest przy tym zużywana, jest dwutlenek tytanu. Posiada on bowiem bardzo wysoki współczynnik załamania światła, który w zależności od odmiany TiO 2 wynosi dla rutylu 3,8 i dla anatazu 2,5 3,0. Dla porównania współczynnik załamania światła dla diamentu wynosi 2,42 [2]. Dzięki doskonałym właściwościom fotokatalitycznym TiO 2 znajduje w ostatnich latach zastosowanie w różnych innowacyjnych technologiach budowlanych, w tym w technologii wytwarzania cementu i betonu. Coraz szersze zastosowanie znajdują technologie

16 16 B. Langier, A. Pietrzak wykorzystujące fotokatalityczne właściwości TiO 2 w zakresie wytwarzania materiałów samodezynfekujących się i powierzchni samooczyszczających się oraz oczyszczania powietrza z nieprzyjemnych zapachów [3]. 1. ZASTOSOWANIE DWUTLENKU TYTANU W TECHNOLOGII PRODUKCJI KOMPONENTÓW CEMENTOWYCH I BETONOWYCH Naukowcy na świecie cały czas dążą do ulepszenia składu mieszanki betonowej między innymi poprzez znalezienie cementów o charakterystycznych właściwościach fizykochemicznych i specyficznych zastosowaniach nieobjętych obowiązującymi normami. Nowoczesnym produktem umożliwiającym pod względem ekologicznym wykorzystanie betonu jest opracowany przez grupę Heidelberg Cement - cement TioCem, dostępny w dwóch odmianach (CEM II/A-S 42,5R i CEM I 52,5R), który w swoim składzie zawiera nanometryczny dwutlenek tytanu w odmianie polimorficznej anatazu, posiadający właściwości fotokatalityczne. Zastosowanie TioCemu umożliwia redukcję tlenku czterowartościowego azotu i innych szkodliwych związków lotnych, znajdujących się w naszym otoczeniu oraz samoistne usuwanie zabrudzeń przez kompozyty betonowe. Pod wpływem działania promieniowania słonecznego zaczyna się uaktywniać dwutlenek tytanu zawarty w kompozycie betonowym, powstałym na bazie TioCem. W dalszej fazie tego procesu, w obecności wody opadowej na powierzchni zewnętrznej kompozytu betonowego tworzą się aniony wodorotlenkowe o silnych właściwościach utleniających. W rezultacie zostaje wtedy przyspieszony naturalny proces utleniania, wzmagający rozpad szkodliwych związków zawartych w powietrzu otaczającym obiekt budowlany, jak również związków zanieczyszczających powierzchnię betonu [4, 5]. Cały cykl fotokatalizy przedstawiono schematycznie na rysunku 1. Badania prowadzone przez [6] potwierdzają właściwości fotokatalityczne cementu TioCem. W pracy tej wykonano test z użyciem organicznej substancji - rodaminy B, którą pokryto powierzchnię próbek betonowych, a następnie poddano naświetleniu promieniowaniem UV. Po 24 godzinach naświetlania, w przypadku betonu, który w swoim składzie zawierał cement z dodatkiem dwutlenku tytanu, odnotowano całkowite utlenienie rodaminy B i w efekcie całkowite oczyszczenie powierzchni próbki. Według włoskiego dokumentu standaryzującego o numerze UNI-11247:2007, wyroby fotokatalityczne ze względu na stopień reaktywności fotokatalitycznej można podzielić na: wyroby o niedostatecznym stopniu reaktywności fotokatalitycznej, gdzie obniżenie procentowej zawartości tlenków azotu wynosi poniżej 12%; wyroby o średnim stopniu reaktywności fotokatalitycznej, gdzie obniżenie procentowej zawartości tlenków azotu znajduje się w przedziale od 12 do 20%; wyroby o wysokim stopniu reaktywności fotokatalitycznej, gdzie obniżenie procentowej zawartości tlenków azotu znajduje się w przedziale od 21 do 25%; wyroby o bardzo wysokim stopniu reaktywności fotokatalitycznej, gdzie obniżenie procentowej zawartości tlenków azotu wynosi powyżej 25%.

17 Ocena wybranych właściwości kompozytów fotokatalitycznych 17 Rys. 1. Schematyczny przebieg procesów fotokatalizy dzięki zastosowaniu spoiwa hydraulicznego TioCem [4] Materiały budowlane, które uzyskują co najmniej średni zakres reaktywności fotokatalitycznej, mogą ubiegać się o specjalny znak jakości. Asygnata ta oznacza, że dany materiał jest wytwarzany według technologii TX Active. Takie oznaczenie stosowane jest tylko dla produktów o właściwościach fotokatalitycznych [7]. Spoiwa hydrauliczne z dodatkiem aktywnego TiO 2 zalicza się do grupy cementów o specjalnych właściwościach użytkowych. Muszą one charakteryzować się parametrami technicznymi zgodnymi z polskim dokumentem branżowym o numerze PN-B-19707:2013 Cement - Cement specjalny. Skład, wymagania kryteria zgodności. Innowacyjny cement TioCem w badaniach potwierdza, że spełnia wymagania normy PN EN [8]. 2. BADANIA WŁASNE Głównym celem badań było porównanie podstawowych właściwości cementu TioCem CEM II/A-S 42,5R z cementem portlandzkim o tej samej klasie wytrzymałości oraz ocena właściwości kompozytu wykonanego z cementu zawierającego dwutlenek tytanu TiO 2.

18 18 B. Langier, A. Pietrzak Badania zrealizowano na trzech seriach zapraw, z których wykonano próbki prostopadłościenne o wymiarach 40x40x160 mm: seria 1 została wykonana z zaprawy normowej, w której skład wchodził: cement TioCem CEM II/A-S 42,5R, piasek normowy i woda, seria 2 została wykonana z zaprawy normowej, w której skład wchodził: cement portlandzki CEM I 42,5R, piasek normowy i woda, seria 3 została wykonana z zaprawy, w której skład wchodził: cement TioCem CEM II/A-S 42,5R, piasek, kruszywo bazaltowe frakcji 2 4 mm, superplastyfikator ISOFLOW 755 firmy Cemex. Dla przygotowanych próbek zrealizowano program badawczy obejmujący: porównanie wytrzymałości na ściskanie oraz zginanie zapraw normowych serii 1 oraz serii 2 w czasie dojrzewania po 2, 7 i 28 dniach, wyznaczenie wytrzymałości na ściskanie serii 3 po 28 dniach dojrzewania, wyznaczenie nasiąkliwości po 28 dniach dojrzewania wszystkich badanych serii, ocenę powierzchni próbek serii 3 poddanej procesowi przyspieszonego starzenia podczas 48-godzinnego testu NSS (Natural Salt Spray). Wyniki badań zamieszczono w tabeli 1. Tabela 1. Podstawowe właściwości cementu TioCem CEM II/A-S 42,5R i cementu portlandzkiego CEM I 42,5R na beleczkach z zaprawy normowej Wytrzymałość na zginanie [MPa] Wytrzymałość na ściskanie [MPa] Właściwość Wyniki badań Seria 1 Seria 2 Seria 3 Wymagania wg PN-EN dla cementów klasy 42,5R po 2 dniach 5,4 4,3 po 7 dniach 6,1 6,9 po 28 dniach 7,4 7,5 14,2 po 2 dniach 32,3 20,5 20,0 MPa po 7 dniach 43,5 45,0 po 28 dniach 52,5 50,6 71,5 42,5 MPa 62,5 MPa Nasiąkliwość [%] 8,1 8,1 6,4 W badaniu wytrzymałości na zginanie uzyskano wyższą dwudniową średnią wytrzymałość na zginanie zaprawy wykonanej z cementu zawierającego dodatek dwutlenku tytanu. Wynosiła ona po dwóch dniach 5,4 MPa, natomiast dla zaprawy z cementu CEM I 42,5R wynosiła 4,3 MPa. W badaniu wytrzymałości na zginanie po 7 i 28 dniach stwierdzono porównywalne wyniki średniej wytrzymałości na zginanie dla serii 1 i 2. Dla serii 3 wykonanej z drobnego kruszywa bazaltowego po 28 dniach uzyskano znacznie wyższą wartość wytrzymałości na zginanie, która wyniosła 14,2 MPa.

19 Ocena wybranych właściwości kompozytów fotokatalitycznych 19 Średnia wytrzymałość na ściskanie beleczek wykonanych na bazie cementu TioCem, badana po dwóch dniach dojrzewania, wynosiła 32,3 MPa, natomiast dla cementu portlandzkiego CEM I 42,5R była znacznie niższa i uzyskała wartość 20,5 MPa. W badaniu wytrzymałości na ściskanie po 7 i 28 dniach stwierdzono porównywalne wyniki średnich wytrzymałości na ściskanie dla obu badanych cementów, natomiast dla serii 3 uzyskano znacznie wyższą wartość wytrzymałości na ściskanie, która wyniosła 71,5 MPa. W badaniu nasiąkliwości wodą przy ciśnieniu atmosferycznym uzyskano dokładnie taki sam wynik oznaczenia, tj. 8,1%, dla zapraw z serii 1 i 2, natomiast dla serii 3 odnotowano znacznie mniejszą nasiąkliwość na poziomie 6,4%. Próbki serii 3 poddane zostały 48-godzinnemu przyspieszonemu testowi odporności na korozję w atmosferze mgły solnej (NSS) wg procedury zawartej w standardzie ISO 9227 Corrosion tests in artificial atmospheres - Salt spray tests. W badaniu nie stwierdzono na powierzchniach beleczek śladów korozji i żadnych zmian w postaci złuszczeń, pęknięć czy odprysków. W oznaczeniu wytrzymałości próbek po badaniu w komorze solnej również nie stwierdzono pogorszenia cech mechanicznych. WNIOSKI Na podstawie analizy literatury oraz przeprowadzonych badań eksperymentalnych można stwierdzić, że: Beton to najpowszechniej stosowany materiał konstrukcyjny, który jednocześnie w efektywny sposób kształtuje wizerunek współczesnej architektury. Dlatego wykorzystanie do produkcji betonu i jego komponentów, cementu TioCem, który, dzięki zawartości manometrycznego dwutlenku tytanu, aktywnie wpływa na poprawę jakości powietrza przez zmniejszenie stężenia szkodliwych tlenków azotu, pochodzących ze spalania paliwa przez pojazdy drogowe. Powierzchnie betonowe zawierające w składzie TioCem wykazują również właściwości samoczyszczące się, co ma niezaprzeczalnie duże znaczenie estetyczne oraz ekonomiczne. Cement TioCem spełnia wymagania normy PN-EN Jego właściwości fizyczne i mechaniczne pozwalają na stosowanie go w produkcji betonu, elementów prefabrykowanych i kompozytów cementowych na tych samych zasadach co cement standardowy powszechnego użytku. Cement zawierający w swoim składzie dwutlenek tytanu uzyskuje wysoką wczesną wytrzymałość na ściskanie. Wczesna wytrzymałość na ściskanie zaprawy na bazie cementu TioCem jest większa o ok. 57% od wytrzymałości na ściskanie zaprawy wykonanej z cementu portlandzkiego CEM I 42,5R. Powierzchnia elementów betonowych wykonanych z cementu TioCem zachowuje swoją trwałość w środowisku agresywnym wywołującym korozję spowodowaną chlorkami.

20 20 B. Langier, A. Pietrzak LITERATURA [1] Lucas S.S., Ferreira V.M., Barroso de Aguiar J.L., Incorporation of titanium dioxide nanoparticles in mortars - Influence of microstructure in the hardened state properties and photocatalytic activity, Cement and Concrete Research 2013, 43, [2] Mills A., Le Hunte S., J. Photochem. Photobiol. A: Chemistry 1997, 108, [3] Langier B., Halbiniak J., Adamus J., Investigation of frost resistance of fly ash concrete with air-entraining admixture, Key Engineering Materials 2016, 687, [4] Fujishima A., Hashimoto K., Watanabe T., TiO 2 Photocatalytisis: Fundamentals and Applications, BKC Inc. Tokyo, Japan, [5] Gawlicki M., Inteligentny SCC, Budownictwo, technologie, architektura, Polski Cement 2005, 4. [6] Stephan D., Wilhelm P., Schmidt M., Photocatalytic degradation of rodamine B on building materials influence of substrate and environment, International Rilem Symposium, Florence 2007, [7] Cement przyjazny środowisku: [8] Langier B., Pietrzak A., Innowacyjne cementy stosowane w technologii betonu, Budownictwo o Zoptymalizowanym Potencjale Energetycznym 2016, 1(17), EVALUATION OF SOME PROPERTIES OF PHOTOCATALYTIC COMPOSITES The article discusses the photocatalytic properties of titanium dioxide and its use in cement composites technology. The test results of experimental TioCem cement CEM II / A-S 42.5 and Portland cement CEM I 42.5 based on tests performed on standardized mortar and mortar based on sand and fine aggregate were presented. Keywords: titanium dioxide, photocatalysis, cement TioCem, photocatalysis concrete

21 Budownictwo o Zoptymalizowanym Potencjale Energetycznym 1(19) 2017, s DOI: /bozpe Łukasz SADOWSKI, Jerzy HOŁA Politechnika Wrocławska, Wydział Budownictwa Lądowego i Wodnego WPŁYW WYBRANYCH KWARCOWYCH DODATKÓW MINERALNYCH MODYFIKUJĄCYCH BETON WARSTWY WIERZCHNIEJ NA JEGO ZESPOLENIE Z PODKŁADEM BETONOWYM W pracy dokonano na drodze badawczej oceny wpływu wybranych kwarcowych dodatków mineralnych modyfikujących beton warstwy wierzchniej na jego zespolenie z podkładem betonowym. Dodatkami tymi były mączka kwarcowa oraz skaleniowo-kwarcowa stosowane w różnej ilości w stosunku do masy cementu. Badania zespolenia warstw wykonane metodą pull-off wykazały, że mączka skaleniowo- -kwarcowa wpływa zdecydowanie niekorzystnie na to zespolenie. Słowa kluczowe: beton, dodatki mineralne, zespolenie warstw, przyczepność przy odrywaniu WPROWADZENIE Trwałość elementów betonowych wielowarstwowych zależy między innymi od dobrego zespolenia warstwy wierzchniej z podkładową [1, 2]. Miarą tego zespolenia jest przyczepność przy odrywaniu, której wartość nie powinna być mniejsza od 0,5 MPa w przypadku elementów nowo wykonywanych [3, 4]. Z doniesień literaturowych wynika, że w wielu laboratoriach podejmowane są próby modyfikacji betonu warstwy wierzchniej różnymi dodatkami [5-9]. Coraz częściej próby te mają na celu uzyskanie wymaganej wartości przyczepności na granicy warstw bez konieczności stosowania specjalnych zabiegów przygotowujących powierzchnię podkładu betonowego. Przykładowo, Moghtadaei i inni [10, 11] prowadzili badania zespolenia betonu warstwy wierzchniej z dodatkiem metakaolinu z podkładem betonowym i wykazali, że dodatek ten zwiększa przyczepność przy odrywaniu. Z kolei Nagaonkar i inni [12] wykazali wzrost przyczepności betonu warstwy wierzchniej wykonanego z dodatkiem pyłu krzemionkowego do podkładu betonowego. Natomiast Li [13] w celu zwiększenia przyczepności przy odrywaniu na granicy warstw betonowych modyfikował beton warstwy wierzchniej dodatkiem popiołu lotnego pochodzącego ze spalania węgla kamiennego. Brak jest w literaturze doniesień, czy modyfikacja betonu warstwy wierzchniej dodatkami mineralnymi w postaci mączki kwarcowej albo mączki skaleniowo- -kwarcowej, będących materiałami odpadowymi w budownictwie, korzystnie wpływa na zespolenie tej warstwy z podkładem betonowym. Niniejsza praca stanowi przyczynek do wypełnienia tej luki w wiedzy.

22 22 Ł. Sadowski, J. Hoła 1. OPIS PRZEPROWADZONYCH BADAŃ WŁASNYCH Badaniom poddano dwa dwuwarstwowe betonowe elementy próbne o wymiarach 600 x 900 mm i łącznej grubości 150 mm każdy (rys. 1). Warstwa podkładowa miała grubość 125 mm, a warstwa wierzchnia 25 mm. Rys. 1. Schemat jednego z elementów badawczych wraz z rozmieszczeniem punktów, w których wykonano badania metodą pull-off W tabeli 1 przedstawiono skład wagowy mieszanki betonowej użytej do wykonania warstwy podkładowej. Z kolei w tabeli 2 przedstawiono składy wagowe mieszanek betonowych użytych do wykonania warstw wierzchnich. Należy wyjaśnić, że powierzchnię obydwu elementów podzielono na cztery części, wykonując na każdej części warstwę wierzchnią z mieszanki betonowej o innym składzie podanym w tabeli 2. W przypadku pierwszego elementu, na części oznaczonej literą R (referencyjnej) warstwę wierzchnią wykonano z mieszanki oznaczonej jako R, na części oznaczonej jako Q wykonano warstwę wierzchnią z mieszanek Q10, Q20 i Q30 zawierających odpowiednio 10, 20 i 30% mączki kwarcowej w stosunku do masy cementu. W przypadku drugiego elementu na części oznaczonej jako F wykonano warstwę wierzchnią z mieszanek F10, F20 i F30 zawierających odpowiednio 10, 20 i 30% mączki skaleniowo-kwarcowej w stosunku do masy cementu. Beton warstw wierzchniej i podkładowej dojrzewał w sposób naturalny w temperaturze powietrza +20 C (±3 C) i wilgotności względnej powietrza 60% (±5%). Tabela 1. Skład wagowy mieszanki betonowej użytej do wykonania warstwy podkładowej Cement portlandzki CEM II A-LL 42,5R Popiół lotny z Elektrociepłowni Wrocław Składnik mieszanki betonowej [kg/m 3 ] Woda Piasek kwarcowy kopalny o maksymalnym uziarnieniu do 2 mm i gęstości objętościowej 2,62 g/cm 3 Kruszywo naturalne łamane bazaltowe o maksymalnym uziarnieniu do 8 mm i gęstości objętościowej 2,60 g/cm 3 Plastyfikator Visco Flow , ,4 1086,6 2,0

23 Wpływ wybranych kwarcowych dodatków mineralnych modyfikujących beton warstwy wierzchniej 23 Tabela 2. Składy wagowe mieszanek betonowych użytych do wykonania warstw wierzchnich Oznaczenie mieszanki betonowej Cement portlandzki CEM I 42,5R Mączka Woda Składnik mieszanki betonowej [kg/m 3 ] Piasek kwarcowy kopalny o maksymalnym uziarnieniu do 2 mm i gęstości objętościowej 2,62 g/cm 3 Kruszywo naturalne żwirowe kwarcowe otoczakowe o maksymalnym uziarnieniu do 8 mm i gęstości objętościowej 2,64 g/cm 3 Plastyfikator MasterPozzolith 18BV R 352, ,11 Q10 316,8 35, ,11 Q20 281,6 70, ,11 Q30 246,4 105, ,11 F10 352,0 35, ,11 F20 316,8 70, ,11 F30 281,8 105, ,11 Na rysunku 2 przedstawiono skumulowany rozkład ziarnowy wielkości cząstek cementu CEM I 42,5R, mączki kwarcowej Q i mączki skaleniowo-kwarcowej F. Z rysunku tego wynika, że rozkład ziarnowy mączki skaleniowo-kwarcowej jest zbliżony do rozkładu ziarnowego cementu CEM I 42,5R. 100 Udział frakcyjny - Fraction passing (%) Średnica - Particle size (µm) Q F CEM I 42.5R Rys. 2. Skumulowany rozkład ziarnowy wielkości cząstek cementu CEM I 42,5R, mączki kwarcowej Q i mączki skaleniowo-kwarcowej F określony za pomocą laserowego analizatora wielkości cząstek Mastersizer 2000 Po 28 dniach od zabetonowania warstwy podkładowej wykonano na niej warstwę wierzchnią. Następnie po 7 i 28 dniach wykonano badania przyczepności przy odrywaniu f b warstwy wierzchniej od podkładowej metodą pull-off [3, 4].

24 24 Ł. Sadowski, J. Hoła Rozmieszczenie punktów, w których wykonano badania metodą pull-off, pokazano na rysunku WYNIKI BADAŃ I ICH ANALIZA Na rysunku 3 przedstawiono wpływ różnej ilości mączki kwarcowej modyfikującej beton warstwy wierzchniej na przyczepność przy odrywaniu f b tej warstwy od betonowej warstwy podkładowej. 0,7 0,6 0,53 0,51 0,52 - po 7 dniach - po 28 dniach f b [MPa] 0,5 0,4 0,3 0,41 0,36 0,38 0,42 0,32 0,2 0,1 0 R Q10 Q20 Q30 Oznaczenie warstwy wierzchniej Rys. 3. Wpływ różnej ilości mączki kwarcowej modyfikującej beton warstwy wierzchniej na przyczepność przy odrywaniu f b tej warstwy od betonowej warstwy podkładowej Z analizy rysunku 3 wynika, że 10 i 20% dodatek mączki kwarcowej w stosunku do masy cementu nie powoduje zarówno po 7, jak i po 28 dniach ani wzrostu, ani obniżenia wartości przyczepności przy odrywaniu warstwy wierzchniej od podkładowej. Natomiast 30% dodatek tej mączki obniża badaną przyczepność o około 16% po 7 dniach oraz około 20% po 28 dniach. 0,7 0,6 0,5 0,41 0,53 - po 7 dniach - po 28 dniach f b [MPa] 0,4 0,3 0,2 0,1 0,31 0,34 0,33 0,25 0,28 0,27 0 R F10 F20 F30 Oznaczenie warstwy wierzchniej Rys. 4. Wpływ różnej ilości mączki skaleniowo-kwarcowej modyfikującej beton warstwy wierzchniej na przyczepność przy odrywaniu f b tej warstwy od betonowej warstwy podkładowej

25 Wpływ wybranych kwarcowych dodatków mineralnych modyfikujących beton warstwy wierzchniej 25 Z kolei z analizy rysunku 4 wynika, że dodatek mączki skaleniowo-kwarcowej w każdym badanym przypadku powoduje obniżenie wartości przyczepności przy odrywaniu warstwy wierzchniej od podkładowej. Obniżenie to jest znaczące i wynosi około 40% zarówno po 7, jak i 28 dniach. PODSUMOWANIE W pracy dokonano oceny wpływu wybranych kwarcowych dodatków mineralnych modyfikujących beton warstwy wierzchniej na jego zespolenie z podkładem betonowym. Dodatkami tymi były mączka kwarcowa i skaleniowo-kwarcowa. Z przeprowadzonych badań wynika, że modyfikacja betonu warstwy wierzchniej dodatkiem mączki kwarcowej w ilości 10 i 20% masy cementu powoduje pozostawienie na niezmiennym poziomie wartości przyczepności przy odrywaniu f b warstwy wierzchniej od podkładu. Zwiększenie ilości tej mączki w składzie betonu powyżej 20% masy cementu obniża badaną przyczepność o około 16% po 7 dniach oraz około 20% po 28 dniach. Natomiast modyfikacja betonu warstwy wierzchniej dodatkiem mączki skaleniowo-kwarcowej nie jest korzystna z uwagi na przyczepność przy odrywaniu warstwy wierzchniej od podkładowej. Bez względu na zastosowaną ilość tej mączki badana przyczepność jest niższa o około 40% w stosunku do przyczepności uzyskanej dla warstwy wierzchniej referencyjnej. LITERATURA [1] Courard L., Bissonnette B., Garbacz A., Concrete Surface Engineering, CRC Press, Boca Raton [2] Hoła J., Sadowski Ł., Diagnozowanie, metodami nieniszczącymi zespolenia warstw w elementach betonowych, Materiały XIV Konferencji Naukowo-Technicznej Warsztat Pracy Rzeczoznawcy Budowlanego, Kielce-Cedzyna [3] PN-EN 1542:2000 Wyroby i systemy do ochrony i napraw konstrukcji betonowych. Metody badań. Pomiar przyczepności przez odrywanie, PKN, Warszawa [4] ASTM D , Standard test method for pull-off adhesion strength of coatings on concrete using portable pull-off adhesion testers, [5] Shi Y., Matsui I., Guo J., A study on the effect of fine mineral powders with distinct vitreous contents on the fluidity and rheological properties of concrete, Cement and Concrete Research 2004, 34(8), [6] Kosior-Kazberuk M., Nowe dodatki mineralne do betonu, Budownictwo i Inżynieria Środowiska 2011, 2, [7] Nepomuceno M., Oliveira L., Lopes S., Methodology for mix design of the mortar phase of selfcompacting concrete using different mineral additions in binary blends of powders, Construction and Building Materials 2012, 26(1), [8] Tikkanen J., Penttala V., Cwirzen A., Mineral powder concrete - effects of powder content on concrete properties, Magazine of Concrete Research 2011, 63(12), [9] Tikkanen J., Effects of mineral powders on hydration process and hydration products in normal strength concrete, Construction and Building Materials 2014, 72, 7-14.

26 26 Ł. Sadowski, J. Hoła [10] Moghtadaei R., Mohammadi M., Samani N., Mousavi S., The impact of surface preparation on the bond strength of repaired concrete by metakaolin containing concrete, Construction and Building Materials 2015, 80, [11] Mohammadi M., Moghtadaei R., Samani N., Influence of silica fume and metakaolin with two different types of interfacial adhesives on the bond strength of repaired concrete, Construction and Building Materials 2014, 51, [12] Nagaonkar D., Bhusari J., Characterization of reactive powder concrete with respect to its bond strength, International Journal of Scientific & Engineering Research 2014, 5(5), [13] Li G., A new way to increase the long-term bond strength of new-to-old concrete by the use of fly ash, Cement and Concrete Research 2003, 33(6), EFFECT OF SELECTED QUARTZ MINERAL ADMIXTURES APPLIED IN ADDED CONCRETE ON THEIR ADHESION TO CONCRETE SUBSTRATE Based on performed research in this paper the evaluation of the effect of selected quartz mineral admixtures applied in added concrete on their adhesion to concrete substrate was presented. These admixtures were quartz and feldspar-quartz mineral used in varying amounts relative to the weight of cement. Research performed by pull-off method presents that feldspar-quartz mineral powder definitely affects adversely on that adhesion. Keywords: concrete, mineral admixtures, interlayer bond, pull-off adhesion

27 Budownictwo o Zoptymalizowanym Potencjale Energetycznym 1(19) 2017, s DOI: /bozpe Hanna BORUCIŃSKA-BIEŃKOWSKA Uniwersytet Zielonogórski, Wydział Budownictwa, Architektury i Inżynierii Środowiska WPŁYW LOKALIZACJI I FORMY BUDYNKU NA JEGO WŁAŚCIWOŚCI ENERGOOSZCZĘDNE Artykuł porusza zagadnienie wpływu właściwej lokalizacji obiektu budowlanego zarówno w stosunku do stron świata, jak i uwarunkowań geograficzno-przyrodniczych oraz jego formy na koszty eksploatacji. Lokalizacja budynków określana jest na podstawie zapisów miejscowych planów zagospodarowania przestrzennego lub decyzji o warunkach zabudowy, tak więc już na etapie sporządzania ww. dokumentów planistycznych należy precyzyjnie analizować zagadnienia mające znaczenie w kreowaniu polityki zrównoważonego rozwoju i optymalizowania potencjału energetycznego. Dostosowanie wielu elementów projektowych, między innymi takich jak: wielkości oraz ilości otworów okiennych i drzwiowych oraz ich usytuowanie do stron świata, wartość współczynnika U dla ścian i stropów, konstrukcja balkonów, systemy wentylacji i ogrzewania, a także kształtowanie i zagospodarowanie otoczenia obiektu, może w znaczący sposób wpłynąć na efektywność ekonomiczną budynków energooszczędnych zarówno na etapie ich realizacji, jak i eksploatacji. Słowa kluczowe: funkcja, forma, konstrukcja budynku, energooszczędność, zrównoważony rozwój WPROWADZENIE Urynkowienie procesów inwestycyjnych spowodowało między innymi zwiększoną dbałość także o koszty realizacji i eksploatacyjne budowanych obiektów. Dotyczy to nie tylko zużycia wody, energii, segregacji odpadów, ale także doboru materiałów budowlanych zarówno konstrukcyjnych, jak i wykończeniowych, a także odpowiedniego zagospodarowania terenów wokół budynków. Racjonalne wykorzystywanie wszystkich elementów infrastruktury obiektów wpływa korzystnie na ochronę klimatu w skali miasta, gminy, województwa, kraju i świata. Zjawisko tak negatywne jak gromadzenie się gazów w wyższych partiach atmosfery ogranicza wyprowadzanie ciepła z Ziemi. Skutkuje to wzrostem jej temperatury i rozwojem niekorzystnych zjawisk, takich jak między innymi zmiany klimatyczne, pustynnienie i stepowienie niektórych obszarów na wszystkich kontynentach. Możliwości zmniejszania zużycia energii w projektowanych budynkach są znaczne. Obiekty odpowiednio zlokalizowane, zaprojektowane i zrealizowane, a także eksploatowane mogą w bezpośredni sposób przyczynić się do obniżenia energochłonności w sektorze mieszkalnictwa. Promowanie budownictwa energooszczędnego, o zmniejszonym zużyciu energii już na etapie produkcji materiałów budow-

28 28 H. Borucińska-Bieńkowska lanych, może przyczynić się do ochrony środowiska przyrodniczego i równoważenia rozwoju. Wzrost świadomości proekologicznej władz samorządowych i lokalnych społeczności przyczynia się także do podniesienia popularności budownictwa określanego jako bioklimatyczne. Dążenie do zwiększenia komfortu użytkowników przy jednoczesnym dostosowaniu budynków do lokalnych potrzeb i możliwości przy wykorzystaniu dostępnych lokalnie materiałów wpisuje się w nurt zrównoważenia rozwoju. Zjawisko dynamicznych zmian funkcjonalno-przestrzennych oraz rozwoju terenów budownictwa mieszkaniowego szczególnie widoczne jest na obszarach gmin stykowych do dużego miasta. W okresie transformacji społeczno-gospodarczej Polski nastąpiła depopulacja wielu dużych miast (wyjątek stanowi Warszawa). Reforma administracyjna Polski z dnia 1 stycznia 1999 roku utworzyła 16 województw i wprowadziła trzystopniową strukturę podziału terytorialnego. Badaniami objęto okres po reformie terytorialnej. Na terenach 17 gmin graniczących z miastem Poznań w latach nastąpił dynamiczny przyrost ludności oraz aktywne przekształcanie terenów rolniczych na tereny mieszkaniowe (tab. 1 i 2). Tabela 1. Liczba ludności w gminach powiatu poznańskiego w latach Lp. Gmina Rodzaj gminy Saldo [%] 1 Miasto Poznań M ,3 POWIAT POZNAŃSKI 2 Suchy Las W Czerwonak W ,8 4 Swarzędz M-W ,2 5 Kleszczewo W Kórnik M-W ,3 7 Kostrzyn M-W ,2 8 Puszczykowo M ,1 9 Luboń M ,6 10 Mosina M-W ,4 11 Stęszew M-W ,1 12 Komorniki W ,2 13 Dopiewo W ,7 14 Buk M-W ,5 15 Tarnowo Podgórne W ,6 16 Rokietnica W ,1 17 Murowana Goślina M-W ,8 18 Pobiedziska M-W ,1 Razem ,3 gminy miejskie - M, gminy wiejskie - W, gminy miejsko-wiejskie - M-W Źródło: opracowanie autorskie. Dane: Województwo Wielkopolskie. Podregiony, Powiaty, Gminy Urząd Statystyczny w Poznaniu, Poznań, 2011, Województwo Wielkopolskie. Podregiony, Powiaty, Gminy Urząd Statystyczny w Poznaniu, Poznań 2015

29 Wpływ lokalizacji i formy budynku na jego właściwości energooszczędne 29 Tabela 2. Prognoza ludności w tys. Powiat poznański na tle powiatów województwa wielkopolskiego. Stan w dniu 31 XII 2010 r. dla całych powiatów Powiaty Lata poznański 367,6 401,2 429,8 455,7 480,0 średzki 55,5 55,4 54,8 53,8 52,4 śremski 60,2 60,5 60,3 59,5 58,4 kościański 79,0 79,1 78,6 77,4 75,7 grodziski 51,0 51,6 51,7 51,3 50,6 nowotomyski 74,0 74,8 74,9 74,4 73,5 szamotulski 89,3 90,3 90,5 90,0 89,1 obornicki 58,8 59,8 60,3 60,2 59,8 wągrowiecki 69,6 70,2 70,0 69,3 68,2 gnieźnieński 142,7 142,9 141,9 139,5 136,3 wrzesiński 75,0 75,0 74,3 73,0 71,3 Źródło: opracowanie autorskie. Dane: Województwo Wielkopolskie. Podregiony, Powiaty, Gminy Urząd Statystyczny w Poznaniu, Poznań 2011 Rolnicza przestrzeń produkcyjna została zamieniona na tereny aktywizacji gospodarczej i mieszkaniowej. Stąd wynika między innymi konieczność zwracania szczególnej uwagi na rozwój budownictwa proekologicznego, energooszczędnego, wpisującego się w lokalny krajobraz, nawiązującego do lokalnych tradycji i form budowlanych, występującego na urbanizowanych obszarach wiejskich [1-3]. Z miasta centralnego w ciągu 14 lat ubyło mieszkańców, a w gminach stykowych w badanym okresie przybyły osoby. Obserwowany i prognozowany wzrost liczby ludności w gminach graniczących z miastem centralnym wskazuje na konieczność projektowania nowych terenów o funkcji mieszkaniowej. Realizowanie osiedli mieszkaniowych i innych obiektów na terenach wiejskich umożliwia zastosowanie już na etapie projektów technologii energooszczędnych, a na etapie wykonawstwa i eksploatacji wykorzystywanie odnawialnych źródeł energii. Stąd także wynika aktualność podjętej w artykule problematyki. 1. LOKALIZACJA BUDYNKU JAKO ELEMENT POLITYKI ENERGOOSZCZĘDNOŚCI Lokalizację budynków określają miejscowe plany zagospodarowania przestrzennego lub w wypadku ich braku decyzje o warunkach zabudowy [4]. Wynika stąd tak duża odpowiedzialność projektantów już na etapie sporządzania ww. dokumentów. Właściwa lokalizacja stref inwestycyjnych w stosunku do stron świata, ukształtowania terenu oraz istniejącej zabudowy, istniejących zadrzewień i zalesień

30 30 H. Borucińska-Bieńkowska jest jednym z podstawowych elementów kształtowania przestrzeni zurbanizowanej zgodnie z zasadami zrównoważonego rozwoju. Powyższa ustawa [4] określa i definiuje między innymi ład przestrzenny. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [5], definiuje zasady oświetlenia i nasłonecznienia pomieszczeń przeznaczonych na pobyt ludzi. Właściwe zaprojektowanie budynku zależy nie tylko od przepisów i norm technicznych [4-6], ale także od ekologicznej świadomości inwestorów, projektantów i wykonawców. Odpowiednio zlokalizowana działka umożliwia zaprojektowanie domu o optymalnych warunkach energetycznych. Jednak nie należy nadmiernie zwracać uwagi na strony świata, odchylenie lokalizacji o kilka lub kilkanaście stopni nie zmienia radykalnie właściwości oświetlenia i nasłonecznienia. Okna zorientowane na południe zwiększają zyski słoneczne w zimie. Pożądane promienie słoneczne w chłodne dni jednak są niekorzystne w upalne lato. Dlatego przed elewacją od strony południowej powinno się sadzić drzewa liściaste, które ochronią w lecie budynek przed nadmiernym nagrzaniem. W zimie konary bez liści nie ograniczają dostępu słońca do obiektu. Wielkość elewacji od strony północnej należy ograniczyć do niezbędnego minimum. Dotyczy to także otworów okiennych i drzwiowych. Pożądanym rozwiązaniem jest zastosowanie stref buforowych w postaci oszklonych, nieogrzewanych werand, ogrodów zimowych, wiatrołapów lub budyn-ków garażowych. Wybierając lokalizację dla obiektu budowlanego, należy zwrócić uwagę także na kierunki i siłę przeważających w danym obszarze wiatrów. Na działce powinno się także stosować bariery wiatrochronne w postaci nasadzeń odpowiednich gatunków krzewów i drzew. Do oświetlania terenu wokół obiektu warto wykorzystać energię promieniowania słonecznego, energię wiatru wytwarzaną przez turbiny wiatrowe lub inne rozwiązania alternatywne, które należy dobierać w zależności do potrzeb (np. zbyt duża powierzchnia kolektorów słonecznych nie ma uzasadnienia ekonomicznego). Przy odpowiednich warunkach gruntowo-wodnych oraz wystarczającej wielkości działki można zastosować naturalne oczyszczalnie ścieków, zbiorniki magazynowania wody deszczowej oraz pompy ciepła. Te ww. rozwiązania ze względu na wielkość działek inwestycyjnych znakomicie sprawdzają się na nowych terenach mieszkaniowych gmin graniczących z miastem centralnym. 2. FORMA BUDYNKU JAKO ELEMENT POLITYKI ENERGOOSZCZĘDNOŚCI Idealny obiekt to taki, który jest spójny pod względem funkcji, formy i konstrukcji, ale także energooszczędny, a jego zalety ocenia się nie tylko na etapie realizacji, ale także precyzyjnie określonych kosztów eksploatacji. Budynek należy tak projektować, by minimalizować wielkość ścian okrywających żądaną powierzchnię użytkową. Ze względów termicznych bryła budynku powinna być zwarta, kompaktowa bez zbędnych załamań i wykuszy. Dobrym rozwiązaniem

31 Wpływ lokalizacji i formy budynku na jego właściwości energooszczędne 31 ze względu na energooszczędność jest realizowanie budynków mieszkalnych w systemie zabudowy szeregowej. Zlokalizowanie ich w układzie północ-południe daje możliwości zastosowania ww. rozwiązań. Elewacje południowe z optymalną ilością i wielkością okien w pomieszczeniach są przeznaczone na pobyt ludzi. Elewację północną - wejściową projektuje się z elementami werand, wiatrołapów, ogrodów zimowych lub budynkami garażowymi. Domy wolno stojące lub zlokalizowane na działce o układzie wschód-zachód mają inne warunki projektowe. Jednak zasady związane ze zwartością bryły obiektów, ilością i wielkością otworów okiennych i drzwiowych oraz dotyczące werand, wiatrołapów, ogrodów zimowych lub budynków garażowych pozostają analogiczne. Przy projektowaniu budynków należy także pamiętać o możliwości stosowania mobilnych przesłon, rolet, okiennic lub paneli architektonicznych, które mogą spełniać swoją funkcję zarówno w lecie, chroniąc przed nadmiarem promieni słonecznych, jak i w zimie, stwarzając dodatkową barierę izolacji cieplnej i akustycznej. Istotnymi elementami wielu budynków mieszkalnych są balkony, tarasy i loggie. W polskiej strefie klimatycznej, przy zmiennej pogodzie o każdej porze roku, powinny być one wyposażone w zadaszenia i/lub mobilne ściany osłonowe. Rozwiązania takie wydłużają okres korzystania z elementów zewnętrznych budynku, jak również mogą tworzyć strefy buforowe w zimie. Dla ścian zewnętrznych należy dążyć do współczynnika przenikania ciepła U o wartości 0,15 W/(m 2 K). Obecnie można montować okna z szybami zespolonymi (dwu- lub trzykomorowymi) o współczynniku przenikania ciepła U o wartości 0,6 W/(m 2 K). Należy jednak pamiętać, że im więcej szyb w oknie, tym jego przezierność jest mniejsza. Elementy budynku, takie jak: wentylacje, wieńce, nadproża okienne i drzwiowe itp., nieprawidłowo wykonane, mogą być powodem strat termicznych. Rozpoczęta w latach 70. XX wieku moda na domy mieszkalne z tzw. poddaszem użytkowym (poddaszem przeznaczonym na stały pobyt ludzi) wpłynęła negatywnie na komfort cieplny budynku. Poddasza (strychy) z pustką powietrzną były idealnymi buforami termicznymi. W upalne letnie dni pokrycie dachu (szczególnie ciemne) może mieć temperaturę około 80 C, co powoduje nagrzewanie pomieszczeń bezpośrednio pod nim. Nawet dobra izolacja termiczna przy długim okresie upałów nie uchroni poddasza przed nadmiernym wzrostem temperatury. Organizm człowieka prawidłowo funkcjonuje w temperaturze otoczenia między C, poniżej i powyżej tych wartości odczuwa dyskomfort. Dlatego tak ważne jest właściwe zaprojektowanie budynków mieszkalnych z uwzględnieniem wszystkich aspektów estetycznych, funkcjonalnych i konstrukcyjnych, ale także energetycznych oraz ekonomicznych. 3. EKSPLOATACJA BUDYNKU JAKO ELEMENT POLITYKI ENERGOOSZCZĘDNOŚCI Kolejnym elementem wpływającym na energooszczędność obiektu jest jego eksploatacja. Zakończenie budowy i przekazanie obiektu użytkownikom nie jest

32 32 H. Borucińska-Bieńkowska jednoznaczne z zaprzestaniem jakichkolwiek prac. Zachowanie właściwego stanu technicznego gwarantuje przede wszystkim bezpieczeństwo użytkowników, a także utrzymanie energooszczędnego charakteru budynku. Chmielewski [7, s. 147] pisze: (...) w każdym obiekcie zbudowanym mają miejsce prace budowlane, o różnym nasileniu oraz zaangażowaniu środków finansowych i materialnych, tak długo, jak długo taki obiekt jest użytkowany. Sekwencja tych prac układa się według następującego schematu: faza 1 - wznoszenie budynku, faza 2 - bieżące konserwacje, naprawy i remonty, faza 3 - remont kapitalny, faza 4 - bieżące konserwacje, naprawy i remonty, faza 5 - remont kapitalny wraz z modernizacją, faza 6 - bieżące konserwacje, naprawy i remonty, faza 7 - remont kapitalny itd.. Wzrost świadomości ekologicznej inwestorów, projektantów i użytkowników, wynikający także z analizy kosztów eksploatacyjnych obiektów, powoduje potrzebę monitorowania ww. procesów. Budynki użytkowane, a nieremontowane systematycznie tracą swoje właściwości energooszczędne. Dotyczy to zarówno systemów instalacji wewnątrz budynków, jak i okien, drzwi oraz ich dachów, ścian zewnętrznych, tarasów itp. Należy podkreślić, że mikrouszkodzenia powierzchni dachów, ścian, tarasów itp. w naszej szerokości geograficznej mogą doprowadzić do bardzo poważnych uszkodzeń całego obiektu. W zimie bardzo często w ciągu dnia temperatura powietrza jest dodatnia, wówczas w mikropęknięcia wnika woda, która w nocy zamarza, zwiększając swoją objętość, rozsadza pokrycia dachów, ścian, tarasów itp. Dlatego tak istotne są cykliczne przeglądy instalacji, urządzeń grzewczych, pokryć dachów, ścian, tarasów oraz bieżąca naprawa wszystkich uszkodzeń. PODSUMOWANIE Zaprojektowanie i zrealizowanie budynku energooszczędnego zależy od jego lokalizacji oraz formy, funkcji i konstrukcji. Istotnymi elementami nowoczesnych budynków energooszczędnych są: orientacja działki budowlanej w stosunku do stron świata, kompaktowa forma budynku i kształt dachu, optymalne wielkości projektowanych otworów okiennych i drzwiowych, zastosowanie przeszklonych werand, ogrodów zimowych (przestrzenie buforowe), rolet zewnętrznych, paneli architektonicznych, właściwie zaprojektowanie funkcji domu umożliwiające optymalne wykorzystanie naturalnego światła,

33 Wpływ lokalizacji i formy budynku na jego właściwości energooszczędne 33 zastosowanie materiałów budowlanych o wysokich właściwościach energooszczędnych (zastosowanie optymalnych ilości materiałów izolacji termicznych), przestrzeganie technologii, norm i standardów wykonawczych, zastosowanie alternatywnych źródeł energii, zastosowanie energooszczędnych odbiorników energii oraz racjonalne użytkowanie wody, zastosowanie (w miarę możliwości lokalizacyjnych) naturalnych oczyszczalni ścieków, zbiorników magazynowania wody deszczowej oraz pomp ciepła, właściwie zaprojektowanie zagospodarowanie terenu wokół budynku z zielenią izolacyjną termicznie, akustycznie oraz z zielenią rekreacyjną i dekoracyjną. Warunki klimatyczne i ekonomiczne spowodowały, że projektowanie, realizowanie oraz użytkowanie budynków energooszczędnych powinno być normą wynikającą zarówno ze świadomości ekologicznej, jak i przepisów i norm, które powinny je wspierać i promować. LITERATURA [1] Borucińska-Bieńkowska H., Rewitalizacja jako proces przemian przestrzennych, społecznych i ekonomicznych, [w:] Współczesne problemy budownictwa, red. L. Kurzak, J. Selejdak, Wydawnictwo Wydziału Zarządzania Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa 2015, [2] Borucińska-Bieńkowska H., Metropolizacja jako proces urbanizacji gmin Poznańskiego Obszaru Metropolitalnego, [w:] Społeczne i ekonomiczne aspekty urbanizacji i metropolizacji, red. M. Malikowski, M. Palak, J. Halik, Uniwersytet Rzeszowski, Rzeszów 2015, [3] Wnuk R., Budowa domu pasywnego w praktyce, Wydawnictwo Przewodnik Budowlany, Warszawa [4] Ustawa o planowaniu i zagospodarowaniu przestrzennym z dnia 27 marca 2003 r., DzU Nr 80, poz. 717, Art. 3.1 i Art [5] Prawo budowlane z dnia 7 lipca 1994 r., DzU Nr 89, poz [6] Rozporządzenie Ministra Infrastruktury w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie z dnia 12 kwietnia 2002 r., DzU Nr 75, poz [7] Chmielewski J.M., Teoria urbanistyki w projektowaniu i planowaniu miast, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa THE INFLUENCE OF LOCATION AND FORM OF A BUILDING ON ITS ENERGY EFFICIENCY The article discusses the influence of an appropriate location of a building on operating costs in relation to cardinal directions, geographic and environmental conditions, and the form of the building. Decision on a location of a building is taken on the basis of provisions of local spatial management plans or decisions on development conditions. Therefore, it is necessary to precisely analyze the issues vital to creation of sustainable development policy and optimization of energy potential as early as at the drafting stage of the above-mentioned documents on urban planning.

34 34 H. Borucińska-Bieńkowska Adjustment of numerous design elements, such as size and number of door and window openings, their position in relation to cardinal directions, U value for walls and ceilings, construction of balconies, air-conditioning and heating systems, as well as shaping and management of the surroundings may significantly influence cost efficiency of energy-efficient buildings, both during construction stage and further use. Keywords: function, form, building structure, energy efficiency, sustainable development

35 Budownictwo o Zoptymalizowanym Potencjale Energetycznym 1(19) 2017, s DOI: /bozpe Marek RAMCZYK, Krzysztof PAWŁOWSKI Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy Wydział Budownictwa, Architektury i Inżynierii Środowiska INSTRUMENTY PRAWNE I EKONOMICZNE WSPIERAJĄCE BUDOWNICTWO ENERGOOSZCZĘDNE W POLSCE W artykule dokonano szczegółowego przeglądu instrumentów prawnych dotyczących sektora budownictwa energooszczędnego w Unii Europejskiej i stanu ich wdrożenia w prawie polskim. Omówiono też konsekwencje wprowadzonych przepisów prawa w zakresie budownictwa energooszczędnego dla inwestorów, projektantów i firm związanych z sektorem budowlanym. Unia Europejska, a w tym i Polska, dotychczas nie wprowadziła jednak pełnych i kompleksowych uregulowań prawnych odnoszących się wyłącznie do budownictwa energooszczędnego. Wskazano również instrumenty ekonomiczne wspierające budownictwo energooszczędne w Polsce. Słowa kluczowe: budownictwo energooszczędne, instrumenty prawne, instrumenty ekonomiczne WPROWADZENIE Budownictwo jest jednym z kluczowych obszarów, w których można dokonać znaczących oszczędności energii i minimalizować emisję gazów cieplarnianych. Stąd budynki energooszczędne i pasywne mają istotne znaczenie w kształtowaniu gospodarki niskoemisyjnej. Budownictwo energooszczędne obejmuje budowę budynków energooszczędnych i budynków pasywnych. Podstawowym kryterium energooszczędności jest uzyskanie odpowiedniego wskaźnika rocznego jednostkowego zapotrzebowania na energię użytkową do celów ogrzewania i wentylacji (EUco), obliczonego zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Infrastruktury i Rozwoju w sprawie metodologii wyznaczania charakterystyki energetycznej budynku lub części budynku oraz świadectw charakterystyki energetycznej z dnia 27 lutego 2015 roku (DzU z 2015 r., poz. 376) [1]. Zgodnie ze standardami Narodowego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej przyjmuje się, że budynek (dom) energooszczędny to budynek (dom), dla którego wskaźnik rocznego jednostkowego zapotrzebowania na energię użytkową do celów ogrzewania i wentylacji EUco 40 kwh/m 2, natomiast budynek (dom) pasywny charakteryzuje się wskaźnikiem rocznego jednostkowego zapotrzebowania na energię użytkową do celów ogrzewania i wentylacji EUco 15 kwh/m 2, przy czym w obowiązujących aktach prawnych nie ma precyzyjnych definicji tych pojęć. Dla porównania budynki standardowe (realizo-

36 36 M. Ramczyk, K. Pawłowski wane w tradycyjnej technologii i spełniające aktualne przepisy) mają przedmiotowy wskaźnik energooszczędności na poziomie EUco = kwh/m 2 [2]. W 2010 roku w prawie unijnym wprowadzono definicję budynku o niemal zerowym zużyciu energii. Zgodnie z art. 2 pkt 2 Dyrektywy Parlamentu Europejskiego i Rady 2010/31/UE z dnia 19 maja 2010 roku w sprawie charakterystyki energetycznej budynków (wersja przekształcona) (Dziennik Urzędowy Unii Europejskiej L 153 z dnia 18 czerwca 2010 roku) - wdrożonej w prawie polskim ustawą o charakterystyce energetycznej budynków z dnia 29 sierpnia 2014 roku (DzU z 2014 r., poz z późniejszymi zmianami) - przez budynek o niemal zerowym zużyciu energii należy rozumieć budynek o bardzo wysokiej charakterystyce energetycznej określonej zgodnie z wytycznymi zawartymi w załączniku I dyrektywy, przy czym niemal zerowa lub bardzo niska ilość wymaganej energii powinna pochodzić w bardzo wysokim stopniu z energii ze źródeł odnawialnych, w tym z energii ze źródeł odnawialnych wytwarzanej na miejscu lub w pobliżu. W Polsce standard ten będzie obowiązywać od 1 stycznia 2021 roku dla wszystkich budynków, a dla budynków zajmowanych przez władze publiczne i będących ich własnością od 1 stycznia 2019 roku. 1. INSTRUMENTY PRAWNE DOTYCZĄCE BUDOWNICTWA ENERGOOSZCZĘDNEGO W Polsce zgodnie z obowiązującym prawem najwyższym aktem prawnym jest Konstytucja Rzeczypospolitej Polskiej z dnia 2 kwietnia 1997 roku (DzU z 1997 r., Nr 78, poz. 483 z późniejszymi zmianami). Nie zawiera ona jednak regulacji prawnych odnoszących się bezpośrednio do zagadnienia budownictwa energooszczędnego. Uregulowania prawne w tym zakresie pośrednio wprowadza natomiast Unia Europejska. Każda uchwalona dyrektywa Unii Europejskiej musi zostać wdrożona w prawie polskim. Unia Europejska dotychczas nie wprowadziła jednak pełnych i kompleksowych uregulowań prawnych odnoszących się wyłącznie do budownictwa energooszczędnego. Uchwalone dyrektywy unijne regulują szersze zagadnienia (zwłaszcza efektywność energetyczną) i tylko częściowo dotyczą budowy obiektów energooszczędnych i pasywnych. Stąd w tym zakresie prawodawstwo w Unii Europejskiej, a w tym i w Polsce, nie jest skodyfikowane w jednym wiodącym akcie prawnym (przepisy prawne są rozproszone w różnych aktach prawnych) Regulacje prawne w prawodawstwie Unii Europejskiej Obszaru budownictwa energooszczędnego w Unii Europejskiej dotyczą - przedstawione w porządku chronologicznym - następujące akty prawne [3, 4]: Dyrektywa 2002/91/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 16 grudnia 2002 roku w sprawie charakterystyki energetycznej budynków (Dziennik Urzędowy Unii Europejskiej L 1 z dnia 4 stycznia 2003 roku),

37 Instrumenty prawne i ekonomiczne wspierające budownictwo energooszczędne w Polsce 37 Dyrektywa 2006/32/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 5 kwietnia 2006 roku w sprawie efektywności końcowego wykorzystania energii i usług energetycznych oraz uchylająca dyrektywę Rady 93/76/EWG (Dziennik Urzędowy Unii Europejskiej L 114 z dnia 27 kwietnia 2006 roku), Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/28/WE z dnia 23 kwietnia 2009 roku w sprawie promowania stosowania energii ze źródeł odnawialnych zmieniająca i w następstwie uchylająca dyrektywy 2001/77/WE oraz 2003/30/WE (Dziennik Urzędowy Unii Europejskiej L 140 z dnia 5 czerwca 2009 roku), Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2010/31/UE z dnia 19 maja 2010 roku w sprawie charakterystyki energetycznej budynków (wersja przekształcona) (Dziennik Urzędowy Unii Europejskiej L 153 z dnia 18 czerwca 2010 roku), Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2012/27/UE z dnia 25 października 2012 roku w sprawie efektywności energetycznej, zmiany dyrektyw 2009/125/WE i 2010/30/UE oraz uchylenia dyrektyw 2004/8/WE i 2006/32/WE (Dziennik Urzędowy Unii Europejskiej L 315 z dnia 14 listopada 2012 roku). Zgodnie z zapisami Dyrektywy Parlamentu Europejskiego i Rady 2010/31/UE z dnia 19 maja 2010 roku w sprawie charakterystyki energetycznej budynków (wersja przekształcona) (Dziennik Urzędowy Unii Europejskiej L 153 z dnia 18 czerwca 2010 roku), stanowiącej nowelizację dyrektywy 2002/91/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 16 grudnia 2002 roku w sprawie charakterystyki energetycznej budynków (Dziennik Urzędowy Unii Europejskiej L 1 z dnia 4 stycznia 2003 roku), za kilka lat wszystkie nowo powstające budynki będą musiały spełniać wyższe standardy energetyczne. Unia Europejska nakłada na państwa członkowskie obowiązek, aby: 1) do dnia 31 grudnia 2020 roku wszystkie nowe budynki były budynkami o niemal zerowym zużyciu energii i 2) po 31 grudnia 2018 roku nowe budynki zajmowane przez władze publiczne i będące ich własnością były budynkami o niemal zerowym zużyciu energii. Poza tym państwa członkowskie zostały zobowiązane do opracowania krajowych planów mających na celu zwiększenie liczby budynków o niemal zerowym zużyciu energii Regulacje prawne w prawodawstwie polskim Polska, przystępując od 1 maja 2004 roku do Unii Europejskiej, ma obowiązek zaimplementowania w prawie polskim każdej uchwalonej przez nią dyrektywy. Na dzień 30 września 2016 roku stan wdrażania unijnych aktów prawnych dotyczących budownictwa energooszczędnego do prawodawstwa polskiego nie jest pełny. Aktualnie w Polsce w obszarze budownictwa energooszczędnego obowiązują następujące akty prawne [5]: Ustawa o charakterystyce energetycznej budynków z dnia 29 sierpnia 2014 roku (DzU z 2014 r., poz z późniejszymi zmianami), Rozporządzenie Ministra Infrastruktury i Rozwoju w sprawie metodologii wyznaczania charakterystyki energetycznej budynku lub części budynku oraz świadectw charakterystyki energetycznej z dnia 27 lutego 2015 roku (DzU z 2015 r., poz. 376),

38 38 M. Ramczyk, K. Pawłowski Rozporządzenie Ministra Infrastruktury i Rozwoju w sprawie sposobu dokonywania i szczegółowego zakresu weryfikacji świadectw charakterystyki energetycznej oraz protokołów z kontroli systemu ogrzewania lub systemu klimatyzacji z dnia 17 lutego 2015 roku (DzU z 2015 r., poz. 246), Ustawa o efektywności energetycznej z dnia 15 kwietnia 2011 roku (DzU z 2011 r., Nr 94, poz. 551 z późniejszymi zmianami), Rozporządzenie Ministra Gospodarki w sprawie szczegółowego zakresu i sposobu sporządzania audytu efektywności energetycznej, wzoru karty audytu efektywności energetycznej oraz metod obliczania oszczędności energii z dnia 10 sierpnia 2012 roku (DzU z 2012 r., poz. 962), Obwieszczenie Ministra Gospodarki w sprawie szczegółowego wykazu przedsięwzięć służących poprawie efektywności energetycznej z dnia 21 grudnia 2012 roku (MP z 2013 r., poz. 15), Ustawa Prawo ochrony środowiska z dnia 27 kwietnia 2001 roku (DzU z 2001 r., Nr 62, poz. 627 z późniejszymi zmianami), Ustawa Prawo energetyczne z dnia 10 kwietnia 1997 roku (DzU z 1997 r., Nr 54, poz. 348 z późniejszymi zmianami), Ustawa Prawo budowlane z dnia 7 lipca 1994 roku (DzU z 1994 r., Nr 89, poz. 414 z późniejszymi zmianami), Rozporządzenie Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej w sprawie szczegółowego zakresu i formy projektu budowlanego z dnia 25 kwietnia 2012 roku (DzU z 2012 r., poz. 462), Rozporządzenie Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej zmieniające rozporządzenie w sprawie szczegółowego zakresu i formy projektu budowlanego z dnia 21 czerwca 2013 roku (DzU z 2013 r., poz. 762), Rozporządzenie Ministra Infrastruktury w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie z dnia 12 kwietnia 2002 roku (DzU z 2002 r., Nr 75, poz. 690 z późniejszymi zmianami), Rozporządzenie Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie z dnia 5 lipca 2013 roku (DzU z 2013 r., poz. 926), Ustawa o wspieraniu termomodernizacji i remontów z dnia 21 listopada 2008 roku (DzU z 2008 r., Nr 223, poz z późniejszymi zmianami), Obwieszczenie Marszałka Sejmu Rzeczypospolitej Polskiej w sprawie ogłoszenia jednolitego tekstu ustawy o wspieraniu termomodernizacji i remontów z dnia 2 kwietnia 2014 roku (DzU z 2014 r., poz. 712), Rozporządzenie Ministra Infrastruktury w sprawie szczegółowego zakresu i form audytu energetycznego oraz części audytu remontowego, wzorów kart audytów, a także algorytmu oceny opłacalności przedsięwzięcia termomodernizacyjnego z dnia 17 marca 2009 roku (DzU z 2009 r., Nr 43, poz. 346), Ustawa o odnawialnych źródłach energii z dnia 20 lutego 2015 roku (DzU z 2015 r., poz. 478).

39 Instrumenty prawne i ekonomiczne wspierające budownictwo energooszczędne w Polsce INSTRUMENTY EKONOMICZNE WSPOMAGAJĄCE BUDOWNICTWO ENERGOOSZCZĘDNE W POLSCE Środki prawno-administracyjne regulujące zagadnienia energooszczędności w sektorze budowlanym w Polsce są wzmacniane instrumentami finansowymi. Do wiodących programów wspierających rozwój budynków o niskim zużyciu energii zaliczamy [6]: Program Priorytetowy Narodowego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej (NFOŚiGW) Poprawa efektywności energetycznej. Część 2) Dopłaty do kredytów na budowę domów energooszczędnych, Program Priorytetowy NFOŚiGW LEMUR - Energooszczędne budynki użyteczności publicznej, Program Priorytetowy NFOŚiGW Wspieranie rozproszonych, odnawialnych źródeł energii. Część 2) PROSUMENT - linia dofinansowania z przeznaczeniem na zakup i montaż mikroinstalacji odnawialnych źródeł energii, Program Priorytetowy NFOŚiGW BOCIAN - Rozproszone, odnawialne źródła energii, Program Priorytetowy NFOŚiGW KAWKA - Likwidacja niskiej emisji wspierająca wzrost efektywności energetycznej i rozwój rozproszonych odnawialnych źródeł energii, Program Priorytetowy NFOŚiGW Inwestycje energooszczędne w małych i średnich przedsiębiorstwach, Program Priorytetowy NFOŚiGW System zielonych inwestycji. Zarządzanie energią w budynkach użyteczności publicznej, Programy Priorytetowe Wojewódzkich Funduszy Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej, Program Priorytetowy Norweskiego Mechanizmu Finansowego i Mechanizmu Finansowego Europejskiego Obszaru Gospodarczego PL04 Oszczędzanie energii i promowanie odnawialnych źródeł energii, Szwajcarsko-Polski Program Współpracy. Cel 2: Zwiększenie efektywności energetycznej i redukcja emisji, w szczególności gazów cieplarnianych i niebezpiecznych substancji, Program Operacyjny Infrastruktura i Środowisko. Oś Priorytetowa I. Priorytet inwestycyjny 4.III. Wspieranie efektywności energetycznej, inteligentnego zarządzania energią i wykorzystania odnawialnych źródeł energii w infrastrukturze publicznej, w tym w budynkach publicznych i w sektorze mieszkaniowym, Regionalne Programy Operacyjne (RPO), Fundusz Termomodernizacji i Remontów, Partnerstwo Publiczno-Prywatne (PPP), programy finansowania banków komercyjnych.

40 40 M. Ramczyk, K. Pawłowski PODSUMOWANIE Unia Europejska dotychczas nie wprowadziła pełnych i kompleksowych uregulowań prawnych dotyczących wyłącznie budownictwa energooszczędnego. W tym zakresie przepisy prawne w Unii Europejskiej, a w tym i w Polsce, są rozproszone w różnych aktach prawnych. Dla rynku nieruchomości w Polsce najistotniejszą konsekwencją istniejących uregulowań prawnych jest to, że do dnia 31 grudnia 2020 roku wszystkie nowe budynki muszą być budynkami o niemal zerowym zużyciu energii oraz po 31 grudnia 2018 roku nowe budynki zajmowane przez władze publiczne i będące ich własnością muszą być budynkami o niemal zerowym zużyciu energii. Takie wymogi prawne spowodowały w Polsce uchwalenie przez Radę Ministrów krajowego planu mającego na celu zwiększenie liczby budynków o niskim zużyciu energii [7], uwzględniającego m.in. instrumenty finansowe wspierające rozwój budownictwa efektywnego energetycznie. LITERATURA [1] Rozporządzenie Ministra Infrastruktury i Rozwoju w sprawie metodologii wyznaczania charakterystyki energetycznej budynku lub części budynku oraz świadectw charakterystyki energetycznej z dnia 27 lutego 2015 roku, DzU z 2015 r., poz [2] Kaniszewska A., Wprowadzenie do budownictwa energooszczędnego i pasywnego, [3] Informacje o aktach prawnych Unii Europejskiej, dostęp: r. [4] Informacje o aktach prawnych Unii Europejskiej, dostęp: r. [5] Dane dotyczące polskich aktów prawnych, dostęp: r. [6] Informacje Narodowego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej (NFOŚiGW), dostęp: r. [7] Uchwała Rady Ministrów z dnia 22 czerwca 2015 roku w sprawie przyjęcia Krajowego Planu mającego na celu zwiększenie liczby budynków o niskim zużyciu energii. LEGAL AND ECONOMIC INSTRUMENTS SUPPORTING IN THE ENERGY-EFFICIENT BUILDING INDUSTRY IN POLAND In this paper you can find a detailed analysis of legal regulations concerning energy-efficient building industry sector in the European Union and their implementation into the Polish legal system. We have also discussed the consequences of the legal regulations introduced in the energy-efficient building industry area, which might be useful for investors, designers and companies from construction industry. However, the European Union, including Poland, has not introduced any legal regulations exclusively regarding energy-efficient building industry. The article presents other ways of supporting the energy-efficient building industry in Poland. Keywords: energy-efficient building industry, legal instruments, economic instruments

41 Budownictwo o Zoptymalizowanym Potencjale Energetycznym 1(19) 2017, s DOI: /bozpe Ryszard DACHOWSKI, Paulina KOSTRZEWA Politechnika Świętokrzyska w Kielcach, Wydział Budownictwa i Architektury SILIKATY W ŚWIETLE EKOLOGII I EKONOMII Artykuł przedstawia porównanie popularnych materiałów ściennych za pomocą wielokryterialnej analizy techniczno-ekonomicznej. Przedmiotem analizy były autoklawizowane wyroby wapienno-piaskowe, beton komórkowy oraz ceramika budowlana. Porównania dokonano na podstawie ocen wybranych cech materiałów, takich jak: koszt, wytrzymałość na ściskanie, ekologia, izolacyjność akustyczna oraz akumulacja cieplna. Słowa kluczowe: silikaty, analiza wielokryterialna, ekologia, ekonomia WPROWADZENIE Silikaty są coraz popularniejszym materiałem budowlanym. Swój sukces zawdzięczają przede wszystkim wysokiej wytrzymałości na ściskanie, mrozoodporności i trwałości. W dzisiejszych czasach przy ocenie materiału budowlanego za równie istotne parametry stawia się ekologię i ekonomię. Dzieje się tak w związku z coraz większą świadomością o budownictwie zrównoważonym inwestorów oraz użytkowników budynków. Budownictwo zrównoważone jest nazywane budownictwem ekologicznym. Określa materiały oraz sposoby ich wytwarzania, które nie ingerują w środowisko naturalne i nie mają negatywnego wpływu na samopoczucie i zdrowie człowieka [1]. 1. SILIKATY A EKOLOGIA Cegła silikatowa powstaje z naturalnych surowców: piasku, wapna i wody. Zazwyczaj wymienione składniki są wydobywane lokalnie, przez co można zredukować dodatkowe koszty transportu, a jednoczenie związaną z tym emisję spalin do atmosfery. Ponadto na etapie produkcji nie są dodawane żadne toksyczne składniki, dzięki czemu uzyskujemy przyjazny dla środowiska wyrób [2]. Produkcja wyrobów jest niskoenergetyczna. Najwięcej energii zużywa się podczas procesu autoklawizacji. Hartowanie silikatów przebiega od 6 do 12 godzin w specjalnych autoklawach w temperaturze ponad 200 C i przy ciśnieniu pary wodnej 1,6 bar. Hartowanie wyrobu silikatowego w autoklawach powoduje, że wapno aktywizuje krzemianowe składniki piasku kwarcowego, tworząc stałe związki -

42 42 R. Dachowski, P. Kostrzewa uwodnione krzemiany wapnia, przez co uzyskuje się m.in. wysoką wytrzymałość na ściskanie, odporność, mały skurcz i niewielkie odkształcenia wyrobów [3, 4]. Autoklawizowane wyroby wapienno-piaskowe są niepalne. W temperaturze 600 C nie dochodzi do ich rozpadu czy też zwęglenia, ponadto podczas pożaru materiał nie wydziela toksycznych substancji. Każdy materiał emituje promieniowanie, jest to zjawisko naturalne i nie stanowi zagrożenia, o ile nie przekracza dopuszczalnych wartości [5]. Naturalna radioaktywność materiałów budowlanych jest wywołana zawartością pierwiastków mineralnych: toru, potasu, radu i radonu [6]. Chcąc zapewnić odpowiednie warunki higieniczno-zdrowotne w pomieszczeniach przeznaczonych na stały pobyt ludzi lub zwierząt, trzeba eliminować stosowanie wyrobów budowlanych zawierających w nadmiernej ilości wymienione pierwiastki promieniotwórcze [7]. Prawo budowlane [8], Prawo atomowe [9] oraz rozporządzenia wykonawcze i rekomendacje Unii Europejskiej określają wymagania dotyczące średniego rocznego stężenia radonu w budynkach. Podstawą oceny wyrobów budowlanych są dwa wskaźniki aktywności promieniowania f 1 i f 2, które są oznaczane laboratoryjnie [10]. Wskaźnik f 1 informuje o narażeniu całego ciała promieniowaniem gamma przez radionuklidy naturalne: potasu K - 40, radu Ra i toru Th - 228, występujące w materiale. Wskaźnik f 2 informuje o zawartości radu Ra - 226, który jest izotopem macierzystym radonu, a więc pośrednio o stopniu narażenia na promieniowanie alfa radonu Rn i jego krótkożyciowych pochodnych. Współczynnik f 1 nie powinien być większy od 1,2 Bq/kg, a współczynnik f 2 nie większy niż 240 Bq/kg. Do produkcji materiałów budowlanych często wykorzystuje się odpady produkcyjne o wysokiej zawartości pierwiastków promieniotwórczych, takie jak popioły lotne z węgla kamiennego czy też żużle paleniskowe. Surowce te obniżają cenę wyrobu i poprawiają niektóre właściwości, jednak równocześnie podwyższają promieniotwórczość. Wysokość stężenia naturalnych izotopów promieniotwórczych powoduje podział materiałów budowlanych na trzy grupy: o najmniejszej, średniej i podwyższonej promieniotwórczości. Elementy silikatowe zaliczają się do pierwszej, najkorzystniejszej dla zdrowia ludzkiego grupy (tab. 1). Tabela 1. Porównanie promieniowania wybranych materiałów budowlanych [11] Współczynnik f 1 Współczynnik f 2 Materiał 1,2 Bq/kg 240 Bq/kg Silikaty 0,16 20 Beton komórkowy piaskowy 0,16 20 Ceramika 0,54 70 Beton komórkowy popiołowy 0,60 90 Silikaty zapewniają przyjazny mikroklimat, można je porównać do naturalnego klimatyzatora. Temperatura i wilgotność powietrza w mieszkaniu są stałe, silikat przyjmuje ciepło i je utrzymuje do momentu, kiedy temperatura wnętrza nie spadnie.

43 Silikaty w świetle ekologii i ekonomii 43 Autoklawizowane wyroby wapienno-piaskowe są odporne na warunki atmosferyczne. Nie ulegają degradacji pod wpływem promieni UV czy też procesów erozyjnych. Posiadają silny odczyn zasadowy, przez co zapobiegają rozwojowi flory bakteryjnej i grzybów, charakteryzują się wysoką odpornością biologiczną [12]. Gruz silikatowy, będący odpadem, nie powoduje zanieczyszczenia i degradacji środowiska. Można go ponownie wykorzystać do wyrobu bloczków i cegieł silikatowych. Wyroby wapienno-piaskowe łatwo można poddać recyklingowi, a ich utylizacja nie wymaga dużych nakładów finansowych. 2. SILIKATY A EKONOMIA Niejednokrotnie inwestorzy i użytkownicy stawiają przede wszystkim na ekonomię przedsięwzięcia budowlanego: koszty budowli oraz jej eksploatacji. Za silikatami przemawia wiele argumentów ekonomicznych, wspomniane niskie koszty surowca i produkcji powodują, że silikaty są jednym z najtańszych materiałów budowlanych. Na etapie budowy ich dużą zaletą jest dokładność wymiarowa i uniwersalność, wpływa to na przyspieszenie wznoszenia ścian oraz oszczędność kosztów. Gotowy wyrób charakteryzuje się stabilnością wymiarów. Podczas sezonowania, transportu czy budowy nie zmienia swoich gabarytów. Murowanie przy wykorzystaniu silikatów nie wymaga drogich narzędzi, ciężkiego sprzętu czy też skomplikowanych technologii. Naturalna mineralna struktura wyrobu stanowi podłoże o dobrej przyczepności dla zapraw. Korzystna struktura oraz właściwości adhezyjne znacznie ułatwiają prace wykończeniowe, zwłaszcza tynkowanie [13]. Zgodnie z prawem masy, im większy ciężar przegród, tym wyższa izolacyjność akustyczna. Silikaty dzięki swojej wysokiej gęstości charakteryzują się bardzo dobrą izolacyjnością akustyczną, co ma szczególne znaczenie w budownictwie wielorodzinnym [14]. Uzyskanie odpowiedniej izolacyjności akustycznej jest istotnym zadaniem projektantów obiektów wielorodzinnych oraz użyteczności publicznej. Ściany oddzielające lokal mieszkalny od innych części budynku powinny charakteryzować się izolacyjnością akustyczną na poziomie R A1 50 db [15]. 3. WIELOKRYTERIALNA ANALIZA TECHNICZNO-EKONOMICZNA MATERIAŁÓW BUDOWLANYCH W celu porównania autoklawizowanych wyrobów wapienno-piaskowych z innymi popularnymi materiałami budowlanymi, wykorzystywanymi do wykonywania ścian, zastosowano analizę wielokryterialną. W tabeli 2 określone zostały kryteria oceny oraz ich wartości dla poszczególnych materiałów. Koszt wykonania 1 m 2 ściany dwuwarstwowej o współczynniku przenikania ciepła 0,25 W/m 2 K z poszczególnych materiałów obliczono, uwzględniając koszty budulca, ocieplenia oraz robocizny. Do porównania wybrano bloczek silikatowy o grubości 18 cm, pustak ceramiczny o grubości 25 cm oraz bloczek z betonu komórkowego odmiany 600 o grubości 24 cm.

44 44 R. Dachowski, P. Kostrzewa Tabela 2. Porównanie wybranych ściennych materiałów budowlanych [16] Kryterium (parametr) Bloczek silikatowy Pustak ceramiczny Bloczek z betonu komórkowego, piaskowy Koszt [zł/1m 2 ] Wytrzymałość na ściskanie elementu [MPa] Ekologia bardzo dobra dobra bardzo dobra Izolacyjność akustyczna R A1 [db] Akumulacja cieplna bardzo dobra dobra dostateczna Tabela 3 przedstawia oceny w zakresie od 2-5, przyporządkowane poszczególnym kryteriom. Przy czym 5 punktów oznacza parametr bardzo dobry, natomiast 2 - zły. Ponadto w tabeli 3 zawarte są odpowiednie wagi kryteriów w zależności od istotności parametru. Oceny oraz wagi zostały określone na podstawie ankietyzacji wśród inwestorów oraz użytkowników budynków. Suma wag równa jest 100%. Tabela 3. Punktacja oraz ważność poszczególnych kryteriów Kryterium (parametr) Bloczek silikatowy Pustak ceramiczny Bloczek z betonu komórkowego, piaskowy Waga Koszt [zł/1m 2 ] ,35 Wytrzymałość na ściskanie elementu [MPa] ,25 Ekologia ,20 Izolacyjność akustyczna R A1 [db] ,10 Akumulacja cieplna ,10 Tabela 4 zawiera iloraz poszczególnych ocen oraz ich wagi. Na podstawie tabeli 4 sporządzono rysunek 1, który w formie wykresu radarowego obrazuje oceny poszczególnych materiałów ściennych, uwzględniając ich wagę. Ponadto wyznaczona sumaryczna ocena jest najwyższa dla elementów silikatowych, co świadczy o ich uniwersalności oraz bardzo dobrych parametrach. Tabela 4. Iloraz poszczególnych ocen i ich wag Kryterium (parametr) Bloczek silikatowy Pustak ceramiczny Bloczek z betonu komórkowego, piaskowy Koszt 1,75 1,75 1,4 Wytrzymałość na ściskanie elementu 1,25 1,25 0,75 Ekologia 1 0,8 0,8 Izolacyjność akustyczna 0,5 0,4 0,3 Akumulacja cieplna 0,5 0,4 0,3 Suma 5 4,6 3,55

45 Silikaty w świetle ekologii i ekonomii 45 Rys. 1. Porównanie poszczególnych ocen z uwzględnieniem ich istotności Na wykresie radarowym zostały przedstawione trzy wielokąty, każdy dla określonego materiału. Im większe pole powierzchni figury, tym lepsze rozwiązanie materiałowe. Dla silikatów wynosi ono 2,41 j 2, dla ceramiki 2,08 j 2 i dla betonu komórkowego 1,14 j 2. PODSUMOWANIE Silikaty posiadają wiele zalet i w porównaniu z innymi powszechnie stosowanymi ściennymi materiałami budowlanymi wypadają bardzo dobrze. Sumaryczna ocena silikatów na tle pozostałych materiałów jest najwyższa, najgorzej natomiast prezentuje się beton komórkowy. Biorąc pod uwagę ceramikę oraz beton komórkowy, wyroby wapienno-piaskowe wyróżnia wysoka wytrzymałość na ściskanie i ekologia, a mury z nich wykonane odznaczają się bardzo dobrą trwałością oraz izolacyjnością akustyczną. Zastosowanie autoklawizowanych wyrobów wapienno- -piaskowych pozwala osiągnąć przyjazny mikroklimat, korzystny dla zdrowia człowieka. Zarówno względy ekologiczne, jak i ekonomiczne przemawiają za tym rozwiązaniem. LITERATURA [1] Major M., Major I., Konstrukcje zespolone w budownictwie zrównoważonym, Budownictwo o Zoptymalizowanym Potencjale Energetycznym 2015, 2(16), [2] Sawicki J., Silikaty w budownictwie, Izolacje 2009, 1,

46 46 R. Dachowski, P. Kostrzewa [3] Zapotoczna-Sytek G., Balkovic S., Autoklawizowany beton komórkowy. Technologia, właściwości, zastosowanie, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa [4] Nowek M. The use of selected regranulates in silicate masonary elements, 9-th International Conference: Environmental engineering, [5] Czarnecki L., Broniewski T., Henning O., Chemia w budownictwie, Arkady, Warszawa [6] Lewowicki S., Zarys technologii materiałów budowlanych, Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa [7] Zapotoczna-Sytek G., Mamont-Cieśla K., Rybarczyk T., Naturalna promieniotwórczość wyrobów budowlanych, w tym autoklawizowanego betonu komórkowego (ABK), Przegląd Budowlany 2012, 7-8, [8] Ustawa z 7 lipca 1994 r. - Prawo budowlane, tj. DzU z 2006 r., Nr 156, poz z późn. zm. [9] Ustawa z 29 listopada 2000 r. - Prawo atomowe, tj. DzU z 2007 r., Nr 42, poz. 276 z późn. zm. [10] Poradnik ITB 455/2010 Badania promieniotwórczości naturalnej wyrobów budowlanych (zastępujący Instrukcję ITB 234/2003). [11] Materiały informacyjne Grupa Silikaty. [12] Sieniawska-Kuras A., Tradycyjne i nowoczesne materiały budowlane, Wydawnictwo KaBe, Krosno [13] Dachowski R., Kostrzewa P., Impact of polyethylene glycol on porosity and microstructure of sand-lime product, E3S Web of Conferences, [14] Dachowski R., Stępień A., Efektywność techniczno-ekonomiczna stosowania wyrobów silikatowych z polepszoną ich izolacyjnością akustyczną, [w:] Budownictwo o zoptymalizowanym potencjale energetycznym, pod red. T. Bobki, J. Rajczyka, Wyd. Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa 2008, [15] PN-B : Akustyka budowlana - Ochrona przed hałasem w budynkach - Część 3: Wymagania dotyczące izolacyjności akustycznej przegród w budynkach i elementów budowlanych. [16] Materiały informacyjne sklepu internetowego hurtowniabudowlana24.pl, dostęp: r. SAND-LIME PRODUCTS IN THE LIGHT OF ECOLOGY AND ECONOMICS The article presents a comparison of popular materials for walls using technical and economic multi-criteria analysis. Autoclaved sand-lime products, aerated concrete and ceramics were analyzed. The comparison was made based on assessments of selected characteristics of the materials, such as: cost, compressive strength, ecology, acoustic insulation and thermal accumulation. Keywords: sand-lime products, multi-criteria analysis, ecology, economy

47 Budownictwo o Zoptymalizowanym Potencjale Energetycznym 1(19) 2017, s DOI: /bozpe Daniel WAŁACH, Marek CAŁA, Krzysztof OSTROWSKI Justyna JASKOWSKA-LEMAŃSKA AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Górnictwa i Geoinżynierii ANALIZA WPŁYWU SEPAROWANYCH POPIOŁÓW DENNYCH NA MROZOODPORNOŚĆ BETONU Zagospodarowanie ubocznych produktów spalania węgla (UPS) w postaci popiołów pochodzących z elektrowni i elektrociepłowni stanowi dziś duże wyzwanie. W przypadku UPS z kotłów pyłowych zagadnienia wpływu ich dodatku do mieszanek betonowych są powszechnie znane w odniesieniu do właściwości reologicznych, wytrzymałości, trwałości, mrozoodporności i odporności na korozję betonu. Jednak w przypadku popiołów z kotłów fluidalnych ich wpływ na powyższe właściwości nie został w chwili obecnej jednoznacznie zdefiniowany. W artykule przedstawiono wyniki badań mrozoodporności betonów zawierających różne frakcje popiołów dennych z kotłów pyłowych i fluidalnych. Uzyskane wyniki wskazują na możliwość zastąpienia części kruszywa bądź cementu popiołem przy zachowaniu wymagań stawianych betonom w odniesieniu do ich odporności na działanie mrozu. Słowa kluczowe: mrozoodporność betonu, uboczne produkty spalania WPROWADZENIE Polska energetyka bazuje przede wszystkim na węglu i wszystko wskazuje na to, że sytuacja ta nie ulegnie zmianie w najbliższym czasie. Stąd istotne wydaje się opracowanie kompleksowych programów zagospodarowania ubocznych produktów spalania, jakie powstają podczas produkcji energii elektrycznej w Polsce. W przypadku popiołów lotnych opracowano już szereg możliwości ich wykorzystania m.in. w produkcji cementu, betonu czy też w innych gałęziach przemysłu [1, 2]. Należy podkreślić, że właściwości popiołów z konwencjonalnych kotłów pyłowych [3] znacznie odbiegają od popiołów z kotłów fluidalnych, które charakteryzują się między innymi brakiem lub znikomą ilością szkliwa. Natomiast wyniki badań z ostatnich lat [4, 5] wskazują, że zawartość niespalonego węgla jest na takim samym poziomie jak w kotłach konwencjonalnych. W odniesieniu do popiołów dennych poszukuje się możliwości ich przemysłowego zagospodarowania. Analogicznie, jak w przypadku popiołów lotnych, zasadny wydaje się kierunek zagospodarowania popiołów dennych w szeroko rozumianej branży budowlanej, w tym do produkcji betonów. W odniesieniu do betonów zawierających popioły denne ze spalania węgla zarówno w tradycyjnych kotłach pyłowych, jak i fluidalnych podjęto już próby określenia ich właściwości mechanicznych [6, 7]. Jednak ze względu na wymagania stawiane obecnie betonom, jak też poszczególnym

48 48 D. Wałach, M. Cała, K. Ostrowski, J. Jaskowska-Lemańska składnikom mieszanki betonowej konieczne wydaje się określenie cech związanych z trwałością tego typu materiałów budowlanych. W związku z powyższym podjęto pracę, której celem było określenie wpływu dodatku popiołów dennych powstałych ze spalania węgla kamiennego w kotłach konwencjonalnych oraz fluidalnych na mrozoodporność stwardniałego betonu, której wyniki przedstawiono w niniejszym artykule. Ze względu na dotychczasowe doświadczenia autorów z popiołami dennymi, które wykazały bardzo korzystny wpływ separacji na możliwości ich gospodarczego wykorzystania, badania przeprowadzono we frakcjach popiołów poniżej i powyżej 0,63 mm. 1. CHARAKTERYSTYKA ZASTOSOWANYCH POPIOŁÓW DENNYCH Przedmiotem badań były odpady energetyczne pochodzące ze spalania węgla w kotle fluidalnym (PDF) oraz pyłowym (PDP), które poddano separacji na sicie o wielkości 0,63 mm. Krzywe składów ziarnowych zastosowanych popiołów przedstawiono na rysunku 1. Rys. 1. Krzywe składów ziarnowych popiołów dennych Popioły denne charakteryzowały się średnicami ziaren do 10 mm w przypadku popiołu dennego z kotła fluidalnego (PDF) oraz do 25 mm dla popiołu dennego z kotła pyłowego (PDP). Zawartość frakcji poniżej 0,63 mm w popiołach dennych wyniosła: dla PDF: 78,3%, dla PDP: 35,0%. Znaczne różnice w składzie ziarnowym popiołów dennych były wynikiem technologii spalania węgla w poszczególnych kotłach oraz sposobu odbioru tych

49 Analiza wpływu separowanych popiołów dennych na mrozoodporność betonu 49 odpadów z dna paleniska. Średnia gęstość popiołu dennego fluidalnego (PDF) wyniosła 2,68 g/cm 3. Popiół denny z kotła pyłowego charakteryzował się niższą gęstością, wynoszącą 2,27 g/cm 3. Straty prażenia popiołu dennego PDF wyniosły 4,4%, przy czym dla frakcji drobniejszej były one niższe (3,6%), natomiast dla frakcji >0,63 mm wyniosły 5,3%. Wszystkie te wartości spełniają wymagania normy PN-EN 450-1:2012 Popiół lotny do betonu [8], w której maksymalne straty prażenia popiołów są określone na poziomie 9%. Zawartość głównych składników chemicznych w przeliczeniu na tlenki, w analizowanych popiołach, w zależności od wielkości ziaren przedstawiono na rysunkach 2 i 3. Rys. 2. Zawartość głównych składników w popiele dennym PDF w zależności od wielkości ziaren Rys. 3. Zawartość głównych składników w popiele dennym PDP w zależności od wielkości ziaren

50 50 D. Wałach, M. Cała, K. Ostrowski, J. Jaskowska-Lemańska 2. PROGRAM BADAŃ Celem badań było określenie wpływu rodzaju i zawartości dwóch popiołów dennych w spoiwie cementowo-popiołowym oraz stosie okruchowym kruszywa na trwałość betonów stwardniałych związanych z jego odpornością na działanie mrozu. Wykorzystywano dwie frakcje odpadów o wielkości ziaren powyżej i poniżej 0,63 mm. Dodatek poszczególnych frakcji popiołów traktowano jako zamiennik części cementu portlandzkiego CEM I 42,5R w spoiwie lub zamiennik kruszywa w mieszance betonowej. Do wykonania betonów wybrano naturalne kruszywa rzeczne w postaci piasku i żwirów. Komponowanie całego stosu okruchowego stosowanego do wykonania analizowanych betonów przeprowadzono w oparciu o badania własne wcześniej wykonanych mieszanek betonowych oraz właściwości separowanych frakcji popiołów PDF i PDP (PDF > 0,63, PDF < 0,63, PDP > 0,63, PDP < 0,63) i popiołów nieseparowanych. W wyniku przeprowadzonych analiz i badań laboratoryjnych mieszankę kruszywową do betonów postanowiono komponować, stosując masowe proporcje zmieszania kruszyw przedstawione w tabeli 1. Tabela 1. Proporcje masowe kruszyw stosowanych w betonie Beton Mieszanka Kruszywo Proporcje masowe B1 mieszanka referencyjna piasek 0/2 mm żwir 4/16 mm 32% 68% B2 15% PDF > 0,63 zamiast piasku i żwiru piasek 0/2 mm żwir 4/16 mm PDF > 0,63 21% 64% 15% B3 30% PDF > 0,63 zamiast piasku i żwiru piasek 0/2 mm żwir 4/16 mm PDF > 0,63 10% 60% 30% B4 15% PDF < 0,63 zamiast cementu piasek 0/2 mm żwir 4/16 mm PDF < 0,63 32% 68% 15% m. cementu B5 15% PDF (nieseparowanego) zamiast piasku i żwiru piasek 0/2 mm żwir 4/16 mm PDF (nieseparowany) 27% 58% 15% B6 15% PDP > 0,63 zamiast piasku i żwiru piasek 0/2 mm żwir 4/16 mm PDP > 0,63 21% 64% 15% B7 30% PDP > 0,63 zamiast piasku i żwiru piasek 0/2 mm żwir 4/16 mm PDP > 0,63 10% 60% 30% B8 15% PDP < 0,63 zamiast cementu piasek 0/2 mm żwir 4/16 mm PDP < 0,63 32% 68% 15% m. cementu

51 Analiza wpływu separowanych popiołów dennych na mrozoodporność betonu 51 Skład betonu referencyjnego B1 (tab. 2) został określony na podstawie przyjętej ilości cementu c i wskaźnika w/c, który założono na poziomie 0,4. Tabela 2. Skład betonowej mieszanki referencyjnej Składniki kg/m 3 dm 3 /m 3 Cement CEM I 42,5R 350 Woda 140 Żwir 4/16 mm 1387,5 Piasek 0/2 mm 653,1 Plastyfikator 2,7 W przypadku pozostałych mieszanek (B2-B8) przyjęto założenie dotyczące stałego stosunku w/c jak dla mieszanki referencyjnej. W związku z powyższym, w celu uzyskania odpowiedniej urabialności mieszanek z dodatkiem poszczególnych frakcji popiołów dennych, konieczne było zastosowanie domieszek. Należy przy tym podkreślić, że superplastyfikator dozowano do poszczególnych mieszanek w ilościach umożliwiających ich urabianie poprzez ułożenie ich w formach i odpowiednie zagęszczenie. Dla każdej z wykonanych mieszanek przeprowadzono badania konsystencji metodą opadu stożka, wg PN-EN :2001 Badania mieszanki betonowej. Część 2: Badania konsystencji metodą opadu stożka [9]. Oceny właściwości mieszanek betonowych dokonywano każdorazowo, wykonując zarób, z którego formowano próbki. Uzyskane wyniki badań konsystencji przedstawiono w tabeli 3. Tabela 3. Konsystencja mieszanek betonowych oraz gęstość stwardniałego betonu Beton Udział plastyfikatora [dm 3 /m 3 ] Konsystencja - opad stożka [mm] Gęstość [kg/m 3 ] B ,6 B2 1, ,1 B3 7, ,0 B ,5 B5 4, ,5 B6 1, ,5 B7 7, ,8 B ,9

52 52 D. Wałach, M. Cała, K. Ostrowski, J. Jaskowska-Lemańska 3. WYNIKI BADAŃ MROZOODPORNOŚCI Badania odporności na działanie mrozu wykonano zgodnie z normą PN-88/B [10] metodą zwykłą przy użyciu automatycznej komory mrożeniowej. Badanie mrozoodporności polegało na poddaniu 3 próbek betonowych o wymiarach mm, z każdej serii nasączonych wodą, 100 cyklom zamrażania (4 h w temperaturze 18 C ±2 C) i odmrażania (2 4 h w temperaturze +18 C ±2 C). Równocześnie, w charakterze świadków, przez cały czas badania odporności na działanie mrozu przetrzymywane były po 3 próbki z każdej serii, które również zostały poddane badaniom wytrzymałościowym. Obciążeniu cyklami zamrażania i odmrażania poddawane były próbki po 28 dniach ich dojrzewania. Uzyskane wyniki badań przedstawiono w tabeli 4. Tabela 4. Wyniki badań mrozoodporności analizowanych betonów Beton Średnia wytrzymałość na ściskanie betonu (świadki) [MPa] Średnia wytrzymałość na ściskanie betonu po mrożeniu i rozmrażaniu [MPa] Zmiana wytrzymałości próbek [%] B1 45,29 43,49 3,97 B2 56,53 64,81 14,65 B3 71,47 79,25 10,89 B4 32,99 29,30 11,18 B5 34,81 25,68 26,22 B6 58,75 49,64 15,51 B7 53,10 50,11 5,63 B8 41,11 38,78 5,68 We wszystkich badanych próbkach po 100 cyklach zamrażania-odmrażania nie stwierdzono pęknięć oraz ubytków masy większej niż 5%. Analizując wpływ zastosowanego popiołu dennego oraz jego frakcji na mrozoodporność badanych betonów, można zauważyć znacznie lepsze oddziaływanie popiołu PDF > 0,63 mm jako zamiennika piasku i kruszywa grubego. Betony zawierające ten popiół (B2 i B3) cechowały się większą odpornością na działanie mrozu niż pozostałe betony. Należy jednak zauważyć, że w przypadku mieszanek zawierających popiół nieseparowany PDF (B5) uzyskano największy spadek wytrzymałości rzędu 26%. W przypadku pozostałych mieszanek betonowych badania nie wykazały, aby w rozpatrywanym zakresie rodzaj i zawartość danej frakcji popiołów dennych miały istotny wpływ na mrozoodporność badanych betonów, powodując spadek ich wytrzymałości.

53 PODSUMOWANIE Analiza wpływu separowanych popiołów dennych na mrozoodporność betonu 53 Wykonanie mieszanek betonowych z częściową zamianą cementu i kruszywa popiołami dennymi wymaga szczególnej staranności, zwłaszcza w przypadku, gdy kruszywo zastępowane jest w znacznych ilościach popiołem >0,63 mm. Należy jednak podkreślić, że przeprowadzone badania wykazały pozytywny wpływ popiołów dennych frakcji >0,63 mm na właściwości wytrzymałościowe betonów, a w wybranych przypadkach również na ich mrozoodporność. Niemniej jednak, analizując uzyskane wyniki badań, można stwierdzić, że ze względu na skład chemiczny analizowanych popiołów dennych w przypadku ich wykorzystania trudno będzie spełnić kryteria stawiane betonom konstrukcyjnym. Wydaje się zatem zasadna możliwość wykorzystania separowanych dennych popiołów fluidalnych do produkcji elementów betonowych, których trwałość i czas użytkowania są ograniczone. LITERATURA [1] Brandt A.M., Zastosowanie popiołów lotnych z kotłów fluidalnych w betonach konstrukcyjnych, rozdział: Studia z zakresu inżynierii, Instytut Podstawowych Problemów Techniki PAN, Warszawa [2] Giergiczny Z., Właściwości popiołu lotnego a trwałość betonu, Budownictwo, Technologie, Architektura 2007, lipiec-wrzesień, [3] Iwanek P., Jelonek I., Mirkowski Z., Wstępne badania popiołów z kotła fluidalnego w aspekcie ich zagospodarowania, Gospodarka Surowcami Mineralnymi 2008, 24, 4/4, [4] Hycnar J., Czynniki wpływające na właściwości fizykochemiczne i użytkowe stałych produktów spalania paliw w paleniskach fluidalnych. Wydawnictwo Górnicze, Katowice [5] Hycnar J., Paleniska fluidalne przykładem racjonalnego rozwiązywania problemów odpadów, Polityka Energetyczna 2006, 9, zeszyt specjalny. [6] Rutkowska G., Małuszyńska I., Rosa M., Badania właściwości betonu wyprodukowanego z dodatkiem popiołu lotnego, Inżynieria Ekologiczna 2014, 36, [7] Wałach D., Impact of separated bottom ashes on the parameters of concrete mix and hardened concret, E3S Web of Conferences, Volume 10, (2016), SEED [8] PN-EN 450-1: 2012 Popiół lotny do betonu. [9] PN-EN :2001 Badania mieszanki betonowej. Część 2: Badania konsystencji metodą opadu stożka. [10] PN-88/B Beton zwykły. INFLUENCE OF SEPARATED COAL BOTTOM ASH ON FROST RESISTANCE OF CONCRETE Management of coal combustion by-products in the form of ash from the power plant is currently big challenge. In the case of coal combustion by-products from pulverized-fuel boiler the effects of their addition to the concrete mixtures are well known in regard to the strength, durability, frost resistance and corrosion resistance

54 54 D. Wałach, M. Cała, K. Ostrowski, J. Jaskowska-Lemańska of concrete. However, in the case of ashes from fluidized bed boilers, the impact of this ashes on these parameters is not deeply defined. The article presents the results of frost resistance of concrete containing various fractions of bottom ash from pulverized-fuel boilers and fluidized bed boilers. The results indicate that it is possible to replace part of the coarse aggregate or cement by ash from power plant, while requirements with regard to frost resistance of concrete are satisfied. Keywords: frost resistance of concrete, combustion by-products

55 Budownictwo o Zoptymalizowanym Potencjale Energetycznym 1(19) 2017, s DOI: /bozpe Maximilian PAWLACZYK, Krzysztof PAWŁOWSKI Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy Wydział Budownictwa, Architektury i Inżynierii Środowiska ANALIZA PARAMETRÓW FIZYKALNYCH DACHÓW ZIELONYCH I ICH ZŁĄCZY W ŚWIETLE NOWYCH WYMAGAŃ CIEPLNYCH W pracy poruszono tematykę dachów zielonych z wykorzystaniem różnych materiałów termoizolacyjnych. Określono minimalne grubości materiałów termoizolacyjnych konieczne dla spełnienia nowych wymagań cieplnych i zaproponowano prawidłową konstrukcję wybranego złącza. Na podstawie przeprowadzonych obliczeń parametrów fizykalnych można stwierdzić, że zaprojektowanie przegrody dachowej z użyciem nowoczesnych materiałów spełniające wymagania prawne w zakresie budownictwa niskoenergetycznego po 2021 roku jest możliwe. Słowa kluczowe: dachy zielone, budownictwo energooszczędne, nowoczesne materiały termoizolacyjne WPROWADZENIE Silnie zurbanizowane miasta w Polsce i na świecie powodują, że pozostaje coraz mniej terenów zielonych w centrach miast. Działki często są całkowicie zabudowywane ze względu na potrzebę większych powierzchni mieszkalnych i biurowych, czego skutkiem jest niszczenie ekosystemu, powstają miejskie wyspy ciepła oraz zmniejsza się wymianę dwutlenku węgla poprzez brak roślinności. Jednym z rozwiązań powyższych problemów jest projektowanie dachów zielonych na budynkach, aby odtworzyć część terenów biologicznych. Zalety dachów zielonych występują w aspektach ekologicznych, estetycznych, jak również ekonomicznych [1]. Dodatkowo w przypadku pełnych ogrodów nad ostatnim stropem podnosi się atrakcyjność budynków. Przykładem najlepiej posłużyć może konstrukcja ogrodu na dachu budynku biblioteki Uniwersytetu Warszawskiego. 1. ANALIZA WYMAGAŃ PRAWNYCH W ZAKRESIE OCHRONY CIEPLNEJ Obowiązujące od 1 stycznia 2014 roku nowe wymagania dotyczące izolacyjności cieplnej przegród zewnętrznych budynku, wprowadzone Rozporządzeniem (W.T ) [2], są konsekwencją wdrożenia dyrektywy Parlamentu i Rady Europejskiej. Budynki projektowane według nowych wymagań będzie charakteryzować większa izolacyjność cieplna przegród zewnętrznych (niska wartość współczynnika

56 56 M. Pawlaczyk, K. Pawłowski U c [W/(m 2 K)]) oraz mniejsze roczne zapotrzebowanie na nieodnawialną energię pierwotną (wskaźnik EP [kwh/(m 2 rok)]). Najbardziej zaostrzone wymagania zaczną obowiązywać z początkiem 2021 roku. Stopniowe zaostrzenie przepisów ma prowadzić do projektowania i wykonywania budynków niskoenergetycznych. Dodatkowo NFOŚiGW określił dwa standardy budynków [3]: NF40 (budynek energooszczędny) oraz NF15 (budynek pasywny). Standardem energetycznym NF15 charakteryzują się budynki, których wskaźnik zapotrzebowania na energię użytkową (EUco) nie przekracza 15 kwh/(m 2 rok), natomiast w przypadku standardu NF40 ten wskaźnik nie może przekraczać 40 kwh/(m 2 rok). Budynki projektowane w tych standardach mogły ubiegać się o dofinansowanie ze strony NFOŚiGW, jednakże od połowy 2016 roku ten program dopłat został wstrzymany. W tabeli 1 zestawiono wymagania cieplne w odniesieniu do stropodachów i ich złączy. Tabela 1. Zestawienie wymagań prawnych w zakresie ochrony cieplnej [2, 3] Przegroda Wymagania wg Rozporządzeń Standardy budynków WT 2008 WT 2014 NF40 NF15 Graniczne wartości współczynników przenikania ciepła przegród U max [W/(m 2 K)] dla t i > 16 C Dachy, stropodachy i stropy nad nieogrzewanymi poddaszami lub nad przejazdami 0,25 0,20 1) 0,18 2) 0,12 0,10 0,15 3) Graniczne wartości liniowego współczynnika przenikania ciepła (mostków cieplnych) Ψ [W/(m K)] Płyta balkonowa 0,30 0,01 Brak wymagań Pozostałe mostki cieplne 0,10 0,01 1) Od r.; 2) Od r.; 3) Od r. 2. CHARAKTERYSTYKA ROZWIĄZAŃ MATERIAŁOWYCH DACHÓW ZIELONYCH Dachy zielone (rys. 1) są rodzajem stropodachu o odwróconym układzie warstw, dzięki czemu jest możliwość uprawy różnego rodzaju roślinności. Na konstrukcję stropodachu składa się wiele uporządkowanych warstw, z których każda musi spełniać szereg wymagań i kryteriów. Na podstawie przeprowadzonych analiz poniżej zestawiono podstawowe elementy dachu zielonego [4]: Warstwa roślinna (wegetacyjna) - występuje w postaci substratu bądź humusu przemieszanego z keramzytem czy żwirem rzecznym. Jej grubości przyjmowane są w zależności od systemu korzeniowego roślin. Warstwa filtracyjna - najczęściej stosowana w niej jest geowłóknina polipropylenowa, która daje możliwość przenikania korzeni roślin. Zapobiega przedostaniu się jakichkolwiek zanieczyszczeń do warstwy drenującej, a jednocześnie w dużym stopniu przepuszcza wodę.

57 Analiza parametrów fizykalnych dachów zielonych i ich złączy w świetle nowych wymagań cieplnych 57 Rys. 1. Układ warstw dla stropodachu zielonego: 1 - warstwa roślinna, 2 - warstwa filtrująca, 3 - warstwa drenująca, 4 - warstwa ochronna, 5 - warstwa termoizolacji, 6 - warstwa hydroizolacyjna, 7 - warstwa nośna Warstwa drenująca - służąca do maksymalnego magazynowania wody opadowej, wykorzystywanej w późniejszym czasie przez roślinność. Zbyt duża ilość nadmiaru wody zostaje dalej odprowadzona do odpływów. Warstwa ochronna - stanowi dodatkową ochronę przed przerastaniem korzeni roślin oraz przed uszkodzeniami mechanicznymi. Warstwa termoizolacji - w przypadku stropodachu o odwróconym układzie warstw znajdują zastosowanie płyty z polistyrenu ekstradowanego lub płyty z pianki poliuretanowej PIR i płyty rezolowe. Warstwa hydroizolacji - przy jej wykonywaniu w przypadku odwróconego układu najczęściej stosowana jest papa termozgrzewalna lub folia EPDM. Warstwa hydroizolacji powinna posiadać właściwości przeciwkorzenne oraz odpowiednią odporność na ściskanie. Dodatkowo musi zapewniać odporność na wszelkie środki chemiczne oraz na grzyby czy pleśnie. Warstwa spadkowa - nadaje całej konstrukcji spadek. Warstwa nośna (strop) - obciążenia w przypadku dachów zielonych mogą dochodzić od 100 do nawet 1000 kg na 1 m 2 powierzchni. 3. OBLICZENIA PARAMETRÓW FIZYKALNYCH WYBRANYCH ROZWIĄZAŃ MATERIAŁOWYCH W ramach pracy wykonano obliczenia trzech wariantów materiałowych dachu zielonego o różnych grubościach (rys. 2). Obliczenia przeprowadzono zgodnie z procedurą przedstawioną w PN-EN ISO 6946:2008 [5]. Założono temperaturę wewnętrzną t i > 16 C oraz uwzględniono poprawkę do współczynnika przenikania

58 58 M. Pawlaczyk, K. Pawłowski ciepła z uwagi na przepływ między izolacją a membraną wodochronną U r wg [5]. W każdym z analizowanych rozwiązań przyjęto identyczny układ dachu zielonego, różniący się wyłącznie materiałem termoizolacyjnym (o grubości 14, 16 i 18 cm) w postaci płyty z pianki poliuretanowej PIR λ = 0,023 W/(m K), płyty o rdzeniu ze sztywnej pianki rezolowej λ = 0,020 W/(m K), płyty z polistyrenu ekstrudowanego (λ = 0,036 W/(m K). Wartości przewodzenia ciepła λ w pozostałych warstwach zestawiono w tabeli 2, a wyniki obliczeń w tabeli 3. Tabela 2. Współczynniki przewodzenia ciepła λ materiałów [4] Materiał Współczynnik λ [W/(m K)] Substrat ogrodniczy 0,20 Beton lekki 0,54 Żelbet 1,70 Tynk cementowo-wapienny 0,82 Rys. 2. Układ warstw dla stropodachu zielonego Aby spełnić wymaganie w zakresie ochrony cieplnej U c U Cmax = 0,18 W/(m 2 K), należy zastosować minimum 18 cm izolacji cieplnej w postaci płyt PIR lub 14 cm z płyt rezolowych. Najniższą wartością U c = 0,149 W/(m 2 K) charakteryzuje się dach zielony z zastosowaniem płyt rezolowych gr. 18 cm, co pozwala spełnić kryterium dla U Cmax = 0,15 W/(m 2 K). W celu prawidłowego oszacowania przepływu ciepła przez złącze budowlane przeprowadzono analizę dwuwymiarowego przepływu ciepła w miejscu połączenia dachu zielonego ze ścianą zewnętrzną (rys. 3) przy zastosowaniu programu komputerowego Therm. Określono liniowy współczynnik przenikania ciepła Ψ [W/(m K)] (po wymiarach wewnętrznych i zewnętrznych) oraz temperaturę minimalną na wewnętrznej powierzchni przegrody Ɵ si,min [ C] oraz czynnik temperaturowy f Rsi [ ] według [6]. Wyniki obliczeń zestawiono w tabeli 4.

59 Analiza parametrów fizykalnych dachów zielonych i ich złączy w świetle nowych wymagań cieplnych 59 Tabela 3. Zestawienie wyników obliczeń i wymagań prawnych [2, 3] Materiał termoizolacyjny Płyty PIR Płyty z pianki rezolowej Płyty XPS d U U g U f U r U c [cm] [W/(m K)] 14 0, ,041 0, , ,042 0, , ,042 0, , ,042 0, , ,043 0, , ,043 0, , ,038 0, , ,039 0, , ,040 0,223 d [cm] - grubość izolacji cieplnej Maksymalny współczynnik przenikania ciepła U Cmax [W/(m 2 K)] ( ) 0,20 ( ) 0,18 (po 2021) 0,15 (standard NF40) 0,12 (standard NF40) 0,10 Rys. 3. Model obliczeniowy i rozkład temperatur w złączu Tabela 4. Zestawienie wyników obliczeń Ф [W] Ψ i [W/(m K)] Ψ e [W/(m K)] Ɵ si,min [ C] f Rsi [ ] 24,536 0,122 0,044 14,9 0,873 Wyniki wykazały, że w zakresie liniowego współczynnika przenikania Ψ warunek (Ψ Ψ max ) sformułowany w [3] nie został spełniony dla standardu NF15 i NF40. W analizowanym złączu (rys. 3) nie wystąpi ryzyko rozwoju kondensacji powierzchniowej, ponieważ został spełniony warunek f Rsi f Rsi,kryt. Wartość graniczna (krytyczna) czynnika temperaturowego, przy uwzględnieniu parametrów powietrza wewnętrznego i zewnętrznego, analizowanych wariantów obliczeniowych, wynosi f Rsi,(kryt.) = 0,778.

60 60 M. Pawlaczyk, K. Pawłowski PODSUMOWANIE Poprawne zaprojektowanie dachu zielonego z zastosowaniem nowoczesnych materiałów termoizolacyjnych wymaga przeprowadzenia szczegółowych obliczeń i analiz parametrów fizykalnych. Spełnienie kryterium cieplnego dla przegród zewnętrznych (U c U Cmax ) oraz dla złączy budowlanych (Ψ Ψ max i f Rsi f Rsi,kryt ) można osiągnąć przez poprawne kształtowanie układu materiałowego analizowanej przegrody i złącza (odpowiednia minimalna grubość materiału termoizolacyjnego - tabele 3 i 4). Zasadne staje się propagowanie rozwiązań materiałowych dachów zielonych jako rozwiązanie energooszczędne w budynkach istniejących oraz nowo projektowanych. Przyczynia się to do poprawy wartości architektoniczno-urbanistycznych, a także ekologicznych. Ponadto wpływa na poprawę parametrów technicznych i funkcjonalnych, np. poprawa parametrów fizykalnych (współczynnik przenikania ciepła U c, liniowy współczynnika przenikania ciepła Ψ, czynnik temperaturowy f Rsi ) oraz mniejsze nagrzewanie ostatniej kondygnacji budynku. Należy jednak pamiętać, że w budynkach z dachem zielonym istnieje potrzeba systematycznej pracy w zakresie utrzymania zieleni, co wiąże się z dodatkowymi kosztami. LITERATURA [1] Lewandowski Ł., Pawłowski K., Rozwiązania konstrukcyjno-materiałowe dachów zielonych w aspekcie architektoniczno-technicznym, Izolacje 2010, 5, [2] Rozporządzenie Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia 5 lipca 2013 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie, DzU z 2013 r., poz. 926 z późniejszymi zmianami. [3] Wytyczne projektowe dla budynków niskoenergetycznych wg standardu NF15 i NF40, [4] Pawlaczyk M., Cichewicz N., Analiza rozwiązań materiałowych dachów zielonych w budynkach niskoenergetycznych, VI Ogólnopolska Konferencja Budowlana Studentów i Doktorantów Euroinżynier, Kraków [5] PN-EN ISO 6946:2008, Komponenty budowlane i elementy budynku. Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła. Metoda obliczania. [6] PN-EN ISO 13788:2003, Cieplno-wilgotnościowe właściwości komponentów budowlanych i elementów budynku. ANALYSIS OF PHYSICAL PARAMETERS OF GREEN ROOFS AND THEIR PARTITION IN LIGHT OF CURRENT THERMAL REQUIREMENTS In this paper was raised up the subject of green roofs using different insulating materials. It was specified the minimum thickness of the insulating materials necessary to fulfillment the new thermal requirements and proposed some correct joints structure. On the basis of physical parameters calculations can be determined, that it is possible, to design a roof barrier with modern materials which meet legal requirements in the construction of low energy after Keywords: green roof, low energy building, modern thermal insulation materials

61 Budownictwo o Zoptymalizowanym Potencjale Energetycznym 1(19) 2017, s DOI: /bozpe Paula SZCZEPANIAK, Hubert KACZYŃSKI Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy Wydział Budownictwa, Architektury i Inżynierii Środowiska ENERGOOSZCZĘDNOŚĆ ROZWIĄZAŃ PODŁÓG NA GRUNCIE W BUDYNKACH ZE ŚCIANAMI JEDNOWARSTWOWYMI Artykuł przedstawia problematykę jakości termicznej rozwiązań węzła połączenia budynku z gruntem w przypadku ścian kondygnacji w technologii jednowarstwowej. Słowa kluczowe: ściana jednowarstwowa, mostek termiczny, energooszczędność WPROWADZENIE Budynki o niskim i bardzo niskim zapotrzebowaniu na energię, w zakresie rozwiązań konstrukcyjno-materiałowych, kojarzone są przede wszystkim z budynkami o warstwowym układzie przegród zewnętrznych. Ochronę cieplną budynku przejmuje wydzielona warstwa izolacji termicznej mocowanej do warstwy konstrukcyjnej. Równocześnie, od wielu lat, na rynku istnieją systemy ścian jednowarstwowych, pełniących zarazem funkcję konstrukcyjną i izolatora termicznego. W okresie od r. do r. rozwiązania te były uprzywilejowane w stosunku do ścian warstwowych. Dla budynków w zabudowie jednorodzinnej Rozporządzeniem w sprawie warunków technicznych [1], z dnia r., do wymagań w zakresie izolacyjności termicznej wprowadzono podział ścian zewnętrznych ze względu na ich budowę: o budowie warstwowej i pozostałe - w praktyce jednowarstwowe, dla których wymagania były łagodniejsze (tab. 1). Tabela 1. Maksymalne wartości współczynnika przenikania ciepła U [W/m 2 K] podstawowych przegród zewnętrznych wg różnych standardów ochrony cieplnej budynków ogrzewanych [1-3] Współczynnik przenikania ciepła U [W/(m 2 K)] ściana (T i > 16 C) Warunki techniczne ,30 *) 0,50 NF40 0,30 0,25 0,23 0,20 0,15 podłoga na gruncie 0,45 0,30 0,20 *) o budowie warstwowej z izolacją z materiału o współczynniku przewodzenia ciepła λ 0,05 W/(m K) NF15 Pasywny 0,12 0,15

62 62 P. Szczepaniak, H. Kaczyński 1. ROZWIĄZANIA MATERIAŁOWE ŚCIAN Swoją popularność ściany jednowarstwowe zawdzięczają mniejszej pracochłonności wykonania, a w konsekwencji także niższemu kosztowi wykonania przegrody. Inwestorów zachęca też to, że oferowane są nie tylko elementy murowe, ale także wyroby uzupełniające tworzące w zestawie kompleksowy system - kształtki nadprożowe, elementy ocieplenia wieńca, tynki ciepłochronne, zaprawy cienkowarstwowe, stropy belkowo-pustakowe, narzędzia do murowania. Wyroby do wznoszenia ścian zewnętrznych jednowarstwowych są przez producentów systematycznie ulepszane, zwłaszcza w zakresie poprawy izolacyjności termicznej, tak aby spełniały aktualne wymagania Rozporządzenia [2], niezależne od rodzaju konstrukcji ściany. Obecnie proponowane na rynku elementy murowe charakteryzują się przewodnością cieplną w zakresie już od λ = 0,075 W/(m K) (tab. 2). Tabela 2. Charakterystyka elementów murowych do wznoszenia ścian jednowarstwowych Materiał Ceramika poryzowana z wypełnieniem z wełny mineralnej [4] Autoklawizowany beton komórkowy [5, 6] Wymiary modularne elementu [mm] Współczynnik przewodzenia ciepła λ [W/(m K)] ,077 0,095 0,075 Grubość muru [cm] LINIOWY WSPÓŁCZYNNIK PRZENIKANIA CIEPŁA O jakości termicznej całej przegrody budowlanej świadczy zarówno wartość współczynnika przenikania ciepła U, jak i liniowego współczynnika przenikania ciepła Ψ. Pierwszy z parametrów dotyczy podstawowego układu materiałowego przegrody. Drugi wynika z występujących w przegrodach mostków termicznych, będących skutkiem zmian geometrii (narożniki, wnęki), przerwaniem ciągłości przegrody lub jej warstwy (oparcie stropów, mocowanie stolarki otworowej). Według aktualnego standardu energetycznego określonego Rozporządzeniem [2], wymagane jest tylko spełnienie warunku U Cmax. W przypadku wyższego standardu energetycznego obudowy budynku wymagane są również dopuszczalne wartości liniowego współczynnika ciepła Ψ - w standardzie budynków pasywnych oraz w standardzie Programu Priorytetowego NFOŚiGW NF40 i NF15 (tab. 3).

63 Energooszczędność rozwiązań podłóg na gruncie w budynkach ze ścianami jednowarstwowymi 63 Tabela 3. Graniczne wartości liniowego współczynnika przenikania ciepła Ψ dla budynków o różnych standardach energetycznych [2, 3] Mostek cieplny w obszarze posadowienia budynków na gruncie Warunki Techniczne Ψ max [W/(m K)] NF40 płyty balkonowe 0,30 0,05 brak wymagań pozostałe mostki cieplne 0,10 0,05 mostki w obszarze posadowienia na gruncie 0,15 0,15 NF15 Pasywny 0,01 W ścianach szczelinowych rozdzielenie funkcji konstrukcyjnej i izolacyjnej powoduje, że umieszczona od zewnętrznej strony wydzielona warstwa izolatora termicznego w miejscach połączeń elementów konstrukcyjnych jest ciągła i zachowuje swoją grubość. Spełnienie tego warunku, w przypadku gdy stosowane jest wymiarowanie zewnętrzne, pozwala zgodnie z PN-EN ISO [7] na pominięcie liniowego i punktowego współczynnika przenikania ciepła w obliczeniach współczynnika przenoszenia ciepła H T. Ściany jednowarstwowe, które pełnią jednocześnie rolę izolacyjną i konstrukcyjną, z równomiernie rozłożonymi izotermami temperatur w grubości przegrody, tego wymagania nie spełniają. Węzły konstrukcyjne tych przegród zewnętrznych wymagają szczegółowej analizy na etapie projektowania. Takie ostrożne postępowanie sugerują również wartości liniowego współczynnika przenikania ciepła innych węzłów tego typu ścian - są one wyższe niż w przypadku ścian warstwowych. 3. JAKOŚĆ TERMICZNA WĘZŁA GRUNT-PODŁOGA Istotnym elementem w przypadku węzła połączenia budynku z gruntem dla ścian jednowarstwowych jest proponowane rozwiązanie połączenia ściany fundamentowej ze ścianą nadziemia i podłogą. Jako ścianę fundamentową w rozwiązaniach systemowych proponuje się ścianę szczelinową [4], dwuwarstwową [6] lub jednowarstwową [5] bez docieplenia. Grubość izolacji cokołu nie jest podawana w ogóle lub przyjmowana równa 5,0 cm. Zgodnie z Rozporządzeniem [2], wymagane jest stosowanie izolacji cieplnej obwodowej (pionowej lub poziomej) o oporze cieplnym większym niż 2,0 (m 2 K)/W. Do analizy liniowego współczynnika przenikania ciepła Ψ przyjęto model z izolacją krawędziową pionową spełniającą powyższe wymagania, tj. 8,0 cm.

64 64 P. Szczepaniak, H. Kaczyński Tabela 4. Ukształtowanie i parametry obliczeniowe złącza ściana-podłoga [8] Materiał Grubość [m] λ [W/(m K)] ściana fundamentowa styropian 0,08 0,04 beton zwykły 0,25/0,38 1,5 ściana nadziemia - U w tynk cem.-wap. 0,02 0,82 mur d w λ w tynk cem.-wap. 0,015 0,82 podłoga na gruncie - U g terakota 0,02 1,05 podkład 0,06 1,0 styropian d g 0,04 warstwa wyrównawcza 0,10 1,15 grunt 0,5B /2,5B 2,0 Obliczenia wykonano dla wszystkich rodzajów materiałów ścian jednowarstwowych przedstawionych w tabeli 2, przy grubości przegrody zapewniającej spełnienie wymagań dla budynku o niskim zapotrzebowaniu energii wg Krajowego Planu mającego na celu zwiększenie liczby budynków o niskim zużyciu energii [10]. Grubość warstwy izolacji termicznej w podłodze przyjęto odpowiadającą izolacyjności termicznej na poziomie U = 0,30 W/(m 2 K) dla wymiaru charakterystycznego podłogi B i grubości izolacji d g (tab. 4): B = 4,0 m, d g = 0,08 m, B = 8,0 m, d g = 0,05 m. Tabela 5. Wartości liniowego współczynnika przenikania ciepła Ψ e Element murowy Ceramika poryzowana z wypełnieniem z wełny mineralnej Autoklawizowany beton komórkowy Współczynnik przewodzenia ciepła λ [W/(m K)] λ = 0,077 λ = 0,095 λ = 0,075 Grubość muru [cm] Współczynnik przenikania ciepła ściany U w [W/(m 2 K)] Współczynnik przenikania ciepła podłogi U g [W/(m 2 K)] 0,20 0,17 0,19 0,18 0,15 B = 4,0 m 0,05 0,09 0,09 0,04 0,08 B = 8,0 m 0,09 0,17 0,17 0,09 0,16 0,30

65 Energooszczędność rozwiązań podłóg na gruncie w budynkach ze ścianami jednowarstwowymi 65 Wartości liniowego współczynnika przenikania ciepła Ψ wyznaczono dla wymiarowania zewnętrznego, korzystając z opcji A wg PN-EN ISO [9]. Dla wszystkich wariantów ścian liniowy współczynnik przenikania ciepła Ψ e ociąga wartości ujemne (tab. 5). W obszarze tego samego wymiaru charakterystycznego B są one zbliżone. Zwiększenie B (dla dowolnego rozmiaru podłogi powyżej B = 8,0 m), pomimo zmniejszenia grubości izolacji termicznej, powoduje, że wartość Ψ e maleje. Korzystniejsze (niższe) wartości uzyskuje się w obrębie tej samej wartości B wraz ze wzrostem grubości ściany. a) U śc = 0,19 W/(m 2 K) Ψ e = 0,07 b) U śc = 0,19 W/(m 2 K) Ψ e = 0,08 Rys. 1. Układ materiałowy węzła i rozkład temperatur: a) w ścianie dwuwarstwowej, b) w ścianie jednowarstwowej W ścianach jednowarstwowych, w miejscu połączenia ściany nadziemia z podłogą, wyraźnie inaczej kształtuje się rozkład temperatur niż w ścianie warstwowej. Izolacyjność termiczna materiału ścian jest już bardzo zbliżona do wartości λ materiałów izolacyjnych. Powoduje to wystąpienie efektu uciąglenia warstwy izolacyjnej, podobnie jak ma to miejsce w mostkach w ścianach warstwowych. Efekt ten przedstawiono na rysunku 1, gdzie do porównania przyjęto ścianę o takiej samej izolacyjności termicznej z warstwą konstrukcyjną wykonaną z elementów silikatowych. Wartości współczynnika temperaturowego f Rsi dla rozważanych przegród wynoszą powyżej 0,86, co spełnia wymagania Rozporządzenia [2], gdzie f Rsi,min = 0,72.

66 66 P. Szczepaniak, H. Kaczyński PODSUMOWANIE Wartości współczynnika przenikania ciepła ścian jednowarstwowych z prezentowanych materiałów osiągają wartości spełniające wymagania, które obowiązywać będą po r., a obecnie, zgodnie z Krajowym Planem mającym na celu zwiększenie liczby budynków o niskim zużyciu energii [10], spełniają wymagania dla budynków o niskim zużyciu energii. W przypadku gazobetonu o najniższej wartości przewodności cieplnej, przy grubości muru 48 cm, przegroda spełnia wymagania dla budynku pasywnego. Uzyskane wartości Ψ e są znacznie niższe niż wymagane w standardzie NF15 i NF40 Programu Priorytetowego, jak też budynku pasywnego. Wynika to ze sposobu ukształtowania węzła, w którym materiał konstrukcyjny o bardzo małej przewodności cieplnej λ i materiał izolacyjny, ze względu na otrzymany rozkład izoterm, tworzą rozwiązanie zbliżone do mostka termicznego narożnika ściany. LITERATURA [1] Rozporządzenie Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z dnia 30 września 1997 roku w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie, DzU Nr 132, poz. 878 z późn. zm. [2] Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 roku w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie, DzU Nr 75, poz. 690 z późn. zm. [3] Program Priorytetowy NFOŚiGW Poprawa efektywności energetycznej. [4] Chruściel W., Sulik P., Wytyczne do projektowania konstrukcji murowych w systemie Porotherm Dryfix, [5] Zeszyt techniczny. Projektowanie architektoniczne i konstrukcyjne budynków w systemie Ytong, Wyd. IV, Warszawa [6] [7] PN-EN ISO 13789:2008 Cieplne właściwości użytkowe budynków. Współczynniki przenoszenia ciepła przez przenikanie i wentylację. Metoda obliczania. [8] PN-EN 12524:2003 Materiały i wyroby budowlane. Właściwości cieplno-wilgotnościowe. Tabelaryczne wartości obliczeniowe. [9] PN-EN ISO 10211:2008 Mostki cieplne w budynkach. Strumienie ciepła i temperatury powierzchni. Obliczenia szczegółowe. [10] Uchwała Nr 91 Rady Ministrów z dn. 22 czerwca 2016 r. w sprawie przyjęcia Krajowego Planu mającego na celu zwiększenie liczby budynków o niskim zużyciu energii, MP z dn. 16 lipca 2015 r., poz THE ENERGY EFFICIENCY OF THE SLAB ON THE GROUND SOLUTIONS FOR BUILDINGS WITH SINGLE-LEAF WALLS In the paper the issue of thermal quality solutions for slab on the ground joint s in case of single-leaf above-ground walls has been presented. Keywords: single-leaf wall, thermal bridge, energy efficiency

67 Budownictwo o Zoptymalizowanym Potencjale Energetycznym 1(19) 2017, s DOI: /bozpe Татьяна ТКАЧЕНКО, Виктор МИЛЕЙКОВСКИЙ Киевский национальный университет строительства и архитектуры ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТРАВЯНОГО ПОКРОВА НА ТЕМПЕРАТУРУ ГРУНТА ДЛЯ КРОВЕЛЬНОГО ОЗЕЛЕНЕНИЯ Active development of modern cities has led to the problem of shortage of land, especially in the central urban areas. This has created serious environmental problems that can be solved with the help of roof greening. The work carried out to test the hypothesis of cooling effect vegetable green roof layer. Our experimental studies suggest that the cooling effect grass due to the evaporation of moisture during temperature measurement. We have identified the main thermal processes occurring in the top layer of the roof: the reflection and absorption of solar radiation, the thermal resistance between the soil and the surrounding air by conduction and convection, accumulation of heat in the soil, moisture exchange between the soil, the grass and the environment. Reducing the temperature of the grass compared to bituminous coating due to the decrease of the absorption of solar energy. Low soil temperature as compared with ambient air connected with the insulating properties of grass that saves cold accumulated during the night by ground. Keywords: green roof, vegetation layer, cooling effect ВВЕДЕНИЕ Современные градостроительные тенденции (рост и уплотнение застройки городского пространства) практически не оставляют мест, которые отделяли бы человека от факторов, пагубно сказывающихся на здоровье населения города (шума, пыли и агрессивной городской среды). Все меньше остается мест для комфортного отдыха человека. Особенно это чувствуется в центральной части крупных городов. Точечная застройка увеличивает плотность населения и зачастую нормы по количеству озеленения на одного жителя там не соблюдаются. В этой уплотненной застройке, где размещены здания и обслуживающие их парковки, нет площадей для создания рекреационных зон. Современные подходы к озеленению городского пространства позволяют решать проблемы экологии без радикальных методов преобразования городской среды (без сноса зданий для создания нормируемого количества озелененных зон). В настоящее время важным направлением в развитии архитектуры города является выработка современных способов формирования зон экологического комфорта в условиях уплотненной застройки. Одним

68 68 Т. Ткаченко, В. Милейковский из наиболее актуальных является кровельное озеленение. Существуют различные мнения относительно влияния растительного покрова зеленой кровли на снижение ее температуры. Например, немецкий профессор Гернот Минке говорит об эффекте экономии теплоты и «холода» в зеленой кровле [1]. Группа ученых из Словакии [2] считает очень важным оптимальный выбор ассортимента растений для уменьшения температуры зеленой кровли. Во всех исследованиях идет речь об «охлаждающем эффекте» растительного слоя. Поэтому, целью нашей работы является проверка гипотезы «охлаждающего эффекта» растительного слоя зеленой кровли. Под «охлаждающим эффектом» понимается, что помимо теплозащитных свойств, трава выполняет функцию активного охлаждения. Это может быть за счет испарения влаги, т.е. преобразования явной теплоты в скрытую (теплоту, так называемого испарительного охлаждения). Помимо этого, в любом живом организме (в том числе и в живой траве) происходит процесс метаболизма с выделением теплоты. Поэтому, однозначно рассчитать «эффект охлаждения травы» является нетривиальной задачей. Если трава искусственно поливается, то появляется дополнительное испарительное охлаждение. Мы рассматриваем случай, когда трава находится без дополнительного полива. 1. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ Данная работа открывает серию исследований теплозащитных свойств травяного покрова. Натурные исследования проводилось на склонах Днепра около парка Славы г. Скорость ветра во время замеров была незначительной. Использован термогигрометр TESTO 408H1 (установлен на штативе) с погрешностью до 5 С и лабораторный ртутный термометр по ГОСТ диапазон С, цена деления 0,2 С (подвешен на штативе и погружен в толщу травы до касания с грунтом). Приборы защищались от солнечной радиации алюминиевой фольгой. Конструкция термогигрометра не позволяет настолько хорошо защитить приемное отверстие от рассеянной солнечной радиации, как термометр. Однако различие показателей приборов не превышало 1 С. Исследования проводились в трех точках: в тени (рис. 1); на участке, где только что появилось прямое солнечное излучение (рис. 2) и на участке, который весь световой день освещен солнцем. 2. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ Исследованиями (табл. 1) установлено, что разница температуры в первой точке составляет 7 С, во второй точке порядка 5 С, в третьей точке температуры практически равные. Следовательно, можно сказать, что «охлаждающий эффект травы» находится в пределах точности термометра, т.е. в данных исследованиях не был выявлен.

69 Исследование влияния травяного покрова на температуру грунта для кровельного озеленения 69 Рис. 1. Исследования изменения температуры в теневом участке Таблица 1. Натурные показатели изменения температуры в трех опытных точках Точка Описание t [ С] В траве φ [%] t [ С] В воздухе φ [%] 1 Крапива, 500 мм, тень 23,52 74,75 30,00 43,27 2 Разнотравье, 600 мм, солнце целый день 31,00 48,24 26,06 55,23 3 Пырей, солнце, 17:53 31,10 64,1 31,40 Если бы «охлаждающий эффект травы» был существенным, то во всех точках была бы существенная разница температуры. Значит, в данном случае мы можем говорить о термоаккумулирующих свойствах грунта и теплоизолирующих свойствах травяного слоя. Благодаря транспирации (испарение воды растением) не происходит перегрева травы солнечной радиацией. Если бы не было транспирации, то температура в траве была бы значительно выше

70 70 Т. Ткаченко, В. Милейковский температуры воздуха. Однако избыточная теплота от поглощенной солнечной радиации переходит в скрытую теплоту парообразования. Рис. 2. Исследования изменения температуры на участке, где только что появилось прямое солнечное излучение В нашем случае существенная разница наблюдается только при условии, что грунт не успел прогреться за сутки (1-2 точки). Нами выделены основные тепловые процессы, происходящие в верхнем слое кровли: отражение и поглощение солнечной радиации, термическое сопротивление между почвой и окружающим воздухом за счет теплопроводности и конвекции, накопление (аккумулирование) теплоты в грунте и в кровельных конструкциях, влагообмен между почвой, травой и окружающей средой.

71 Исследование влияния травяного покрова на температуру грунта для кровельного озеленения 71 При этом процесс транспирации компенсирует избыточную солнечную радиацию и теплоту метаболических процессов. При изучении теплофизических процессов, происходящих в растительном слое зеленой кровли, установлено, что термическое сопротивление определяется теплопроводностью самой травы и воздуха между ней, конвекцией (между травинками) [3] и теплоотдачей в окружающую среду (тоже конвекцией). Для более детального исследования процессов разработана и изготовлена физическая модель, которая позволяет исследовать данные процессы при различной скорости ветра в аэродинамической трубе. Результатам этих исследований будут посвящены дальнейшие работы. ВЫВОДЫ Натурные исследования проводилось на склонах Днепра около парка Славы г. Использован термогигрометр TESTO 408H1 с погрешностью до 5 С и лабораторный ртутный термометр по ГОСТ диапазон С, цена деления 0,2 С. Приборы защищались от солнечной радиации алюминиевой фольгой. Конструкция термогигрометра не позволяет настолько хорошо защитить приемное отверстие от рассеянной солнечной радиации, как термометр. Однако различие показателей приборов не превышало 1 С. Исследования проводились в трех точках (рис. 1, 2): в тени; на участке, где только что появилось прямое солнечное излучение и на участке, который весь световой день освещен солнцем. ЛИТЕРАТУРA [1] Fragenan Professor Gernot Minke // Dach+Grun. 2014, 3, Dammungdurch Dachbegrunnungen // Dach+Grun. 2014, 4, [2] Poorova Z., Green roof as saving technology and creator of microclimate, Poorova Z., Vranay F., Vranayova Z., Visnyk Natsionalnoho Universytetu «LvivskaPolitekhnika», Zbirnyk naukovykh prats, Seriia: «Teoriia i praktika budivnytstva», No 844, «Lvivska Politekhnika», Lviv 2016, [3] Ploskii V.O., Modeliuvannia termichnoho oporutravianoho sharuzelenoipokrivli, Ploskyi V.O., Tkachenko T.M., Mileikovskyi V.O., Dziubenko V.G., Visnyk Natsionalnoho Universytetu «Lvivska Politekhnika». Zbirnyk naukovykh prats, Seriia: «Teoriia i praktika budivnytstva», No 844, «Lvivska Politekhnika», Lviv 2016, BADANIE WPŁYWU POKRYWY TRAWIASTEJ NA TEMPERATURĘ GRUNTU NA DACHACH ZIELONYCH Aktywny rozwój nowoczesnych miast generuje problem niedoboru ziemi i zieleni w szczególności w centralnych obszarach miejskich. To stało się przyczyną poważnych problemów środowiskowych, które mogą być rozwiązane za pomocą ogrodów dachowych. Prace przeprowadzono w celu przetestowania hipotezy efekt chłodze-

72 72 Т. Ткаченко, В. Милейковский nia roślinnej warstwy dachu. Nasze badania wskazały efekt chłodzenia w rezultacie odparowania wilgoci przy pomiarach temperatury. Zidentyfikowano procesy termiczne zachodzące w warstwie wierzchniej dachu: zjawiska odbicia i absorpcji promieniowania słonecznego, opór przejmowania ciepła na powierzchni dachu uwzględniający przewodzenie i konwekcję ciepła, akumulację ciepła w gruncie, wymianę wilgoci między gruntem, warstwą roślinną i powietrzem. Obniżenie temperatury pokrywy trawiastej w porównaniu do powłok bitumicznych spowodowane jest obniżeniem absorpcji energii promieniowania słonecznego. Niższa, w porównaniu do temperatury powietrza, temperatura gruntu wynika z właściwości zatrzymania w gruncie chłodu powstałego w okresie nocnym. Słowa kluczowe: dach zielony, warstwa roślinności, efekt chłodzenia

73 Budownictwo o Zoptymalizowanym Potencjale Energetycznym 1(19) 2017, s DOI: /bozpe Piotr SOBIERAJEWICZ Uniwersytet Zielonogórski, Wydział Budownictwa Architektury i Inżynierii Środowiska REWITALIZACJA ZABUDOWY MIEJSKIEJ W ASPEKCIE ENERGETYCZNYM I EKOLOGICZNYM Współczesne nurty rozwoju miast postindustrialnych zmierzają w kierunku rozwiązań powszechnie uznanych za zrównoważone. Rewitalizacji obszarów miejskich przeważnie towarzyszą: poprawa wizerunku, wzrost aktywności społecznej i gospodarczej. W artykule przedstawiono jedną z metod oceny parametrycznej środowiska miejskiego w procesie rewitalizacji pod względem energetycznym i ekologicznym. Na modelowym przykładzie przestrzeni miejskiej w Gubinie wskazano możliwości poprawy jakościowej przestrzeni na podstawie parametrów energetycznych i ekologicznych. Wskaźniki środowiskowe mają przyczynić się do zobrazowania stanu środowiska miejskiego i wpłynąć na zwiększenie świadomości społecznej w zakresie właściwego użytkowania i eksploatowania obszarów zbudowanych. Parametryzacja środowiska może stać się przyczynkiem do nowego podejścia w rozwiązaniach planistyczno-projektowych charakteryzującego się tym, że miasto traktowane jest jako jeden ekosystem. Każda zmodernizowana przestrzeń tworzy współzależne ogniwo ekomiasta. Omówiono jedną z metod oceny wpływów środowiskowych w ujęciu lokalnej przestrzeni miejskiej, a następnie ogólnomiejskim. Na podstawie wybranych kryteriów oceny środowiskowej przyjęto parametry efektywności ekologicznej i energetycznej. Przeprowadzono badania w kierunku ekoparametryzacji przestrzeni, które udowodniły, że istnieje możliwość stałego ekorewitalizowania miejskiego środowiska zbudowanego. Nie można mówić o architekturze prośrodowiskowej, tym bardziej o urbanistyce bez wskazania ich parametrów ekologicznych, które wpływają na stan środowiska. W dobie ery informacji i informatyzacji dostępne są narzędzia do stałego monitorowania ekorozwoju miasta i modelowania zmian na podstawie rzeczywistych danych. Ekorewitalizacja z uwzględnieniem parametrów środowiskowych przestrzeni miejskiej pod względem efektywności energetycznej i ekologicznej przyczyni się do poprawy ekonomii przestrzeni, zdrowotności, bezpieczeństwa i atrakcyjności, wprowadzając nowy ład i porządek w krajobrazie miasta. Słowa kluczowe: rewitalizacja, architektura środowiskowa, urbanistyka zrównoważona, inteligentne miasto, zrównoważony rozwój, efektywność energetyczna, środowisko miejskie, ekologia, społeczna przestrzeń, ocena środowiskowa, gospodarka niskoemisyjna, gospodarka niskoenergetyczna, potencjał energetyczny WPROWADZENIE W najbliższej perspektywie, zgodnie ze strategią Europa 2020, realizowane będą główne kierunki rozwoju miast, do których należą: inteligentny trwały rozwój

74 74 P. Sobierajewicz gospodarczy, rozwój ekologiczny i rozwój sprzyjający włączeniu społecznemu. Miasta w znacznym stopniu mogą przyczynić się do przeciwdziałania zmianom klimatycznym na Ziemi i zmniejszyć globalną emisję gazów cieplarnianych, w tym CO 2. Najwięcej ludności świata, obecnie ponad połowę zamieszkuje w miastach, których popyt na energię stanowi dwie trzecie globalnego zapotrzebowania. Wpływ obszarów miejskich na zanieczyszczenia i emisje gazów cieplarnianych jest bardzo duży - głównie w transporcie i mieszkalnictwie - emisja CO 2 sięga 70% całkowitej emisji [1]. Znaczna część emisji CO 2 i zanieczyszczeń powietrza w miastach jest wynikiem przestarzałych technologii, słabej lub złej modernizacji i rewitalizacji przestrzeni. W artykule przedstawiono przykładową ocenę środowiskową w mieście Gubin w celu identyfikacji, a następnie minimalizowania negatywnych skutków ekologicznych. 1. ZAŁOŻENIA METODYCZNE I MODELOWE Zarządzanie ekomiastem powinno uwzględniać i dostosowywać czynniki (interakcje) środowiskowe do potrzeb społecznych i odwrotnie, szczególnie w procesie rewitalizacji, tworząc nowy ład przestrzenny. W racjonalnym współczesnym świecie ludzie mają coraz większą świadomość potrzeb społecznych [2], ale również potrafią ograniczać potrzeby własne dla dobra środowiska wspólnego. Rys. 1. Schemat ideowy interakcji elementów przestrzennych w metodzie ASEET (opracowanie własne)

75 Rewitalizacja zabudowy miejskiej w aspekcie energetycznym i ekologicznym 75 Ocenę wybranego obszaru miejskiego w Gubinie przeprowadzono zintegrowaną metodą parametryzacji środowiska zbudowanego ASEET, która uwzględnia stan techniczny i technologiczny, w tym typologie zabudowy, zasoby społeczne i ekonomiczne, stan środowiska naturalnego. Do wyznaczenia parametrów środowiskowych reprezentowanych przez wskaźniki efektywności zabudowy - WE przyjęto metodologię badań [5], której celem jest poprawa efektywności energetycznej i ekologicznej rewitalizowanego obszaru miejskiego. Procedury badawcze składają się z następujących etapów: zbieranie danych i ich porządkowanie - tablicowanie (typ budynku, czas budowy i termomodernizacji, rodzaj i koszty budowy lub termomodernizacji, dane dotyczące użytkowników i zużycia energii użytkowej, końcowej, pierwotnej oraz zużycia wody. Dane uzyskano metodą ankietowania w wywiadzie bezpośrednim oraz z materiałów źródłowych, tj. informacji o zużyciu mediów, jak również z dokumentacji technicznej. W ocenie przestrzeni wykorzystano dane socjoekonomiczne, techniczne i energetyczne budynków, które autor zebrał w latach na terenie miasta Gubin w ramach zadania badawczego dla NCBR [6] oraz badań własnych, analiza danych wg przyjętych kryteriów podziału danych, wnioski wynikające z wyselekcjonowania środowiskowych parametrów uznanych jako wiodące dla monitorowanego obszaru, planowanie i wdrażanie zmian w okresie każdego cyklu monitorowania określonej jednostki przestrzennej terenu wraz z jej zabudową. Przedstawiona metodologia oceny środowiska zbudowanego zakłada ciągłą kontrolę wartości parametrów ekologicznych i energetycznych na wejściu oraz wyjściu z cyklu badawczego, np. zakończenie sezonu grzewczego (każdorazowo osiąganie minimalnych lub maksymalnych wartości parametrów ekologicznych i energetycznych staje się wytyczną dla kolejnego cyklu bilansowego w tworzeniu zrównoważonego systemu ekomiasta). Pozyskane dane z każdego cyklu monitorującego służą do obliczenia reprezentatywnych wskaźników efektywności energetycznej i ekologicznej obszaru, są to między innymi: WELez [GJ/m 2 ] - wskaźnik efektywności energetycznej zabudowy określa całkowite zużycie energii pierwotnej Q p na cele ogrzewcze budynku lub zespołu budynków do powierzchni zabudowy lub strefy zurbanizowanej, WELemz [Mg/rok lub Mg/(m 2 rok) - wskaźnik emisyjności CO 2 (ew. inne gazy lub pyły przy dokonanym pomiarze) w jednym cyklu monitorującym, np. w jednym roku, WELeb [GJ/m 2 ] - wskaźnik efektywności powierzchni biologicznie czynnej; zużycie energii pierwotnej Q p do powierzchni aktywnych biologicznie. Wskaźnikiem tym można regulować niezbędne powierzchnie biologicznie czynne w celu przeciwdziałania emisyjności CO 2 stref zabudowanych [5].

76 76 P. Sobierajewicz 2. OCENA PARAMETRYCZNA WYBRANEGO OBSZARU ZABUDOWY Poniżej przedstawiono jedną ze stref zabudowy mieszkaniowej wielorodzinnej w mieście Gubin, dla której przeprowadzono środowiskową ocenę parametryczną. Zabudowa pochodząca z lat 80. została wykonana w technologii wielkiej płyty. Przebieg badań był zgodny z przyjętą procedurą oceny środowiskowej metodą ASEET. Wybrano charakterystyczną zabudowę, w której dominuje określony pod względem architektonicznym typ budynków (wybrano obszar w zabudowie mieszkaniowej wielorodzinnej). Przestrzeń została sparametryzowana wg kryterium efektywności energetycznej i ekologicznej. Przyjęte w metodzie wskaźniki wiodące reprezentują podstawowe cechy środowiska zbudowanego na wybranym terenie. Poniżej przedstawiono grupę parametrów wiodących, reprezentujących wskazany obszar zurbanizowany w Gubinie. Rys. 2. Gubin. Mapa obszarów rewitalizowanych wg przyjętych kryteriów efektywności (opracowanie własne) Wskaźniki efektywności WEL określono na podstawie danych istniejącego środowiska zbudowanego, takich jak: powierzchnia obszaru zabudowanego, powierzch-

77 Rewitalizacja zabudowy miejskiej w aspekcie energetycznym i ekologicznym 77 nia biologicznie czynna z wyszczególnieniem powierzchni aktywnych, ilość budynków z podziałem na typy zabudowy wg przyjętego kryterium źródła ciepła, całkowita powierzchnia ogrzewana budynków w strefie wraz z ich kubaturą oraz zużycie energii końcowej budynków badanego obszaru. STREFA SIa pow. strefy ,0 m 2 pow. zabudowy na m ,0 m 2 pow. zabudowy w całej strefie ,0 m 2 pow. biologicznie czynna ,0 m 2 gęstość zaludnienia na m 2-0,0013 os/ m 2 pow. ogrzewana na m ,0 m 2 pow. ogrzewana w całej strefie ,0 m 2 zapotrzebowanie na energię strefy GJ wskaźnik zapotrzebowania na energię pierwotną strefy WELez (dla pow. ogrzewanej) - 1,42 GJ/m 2 /rok zużycie ton węgla/rok ,0 t WELemz wskaźnik emisyjności CO 2 dla strefy - 3,552 Mg W celu wyznaczenia wskaźnika efektywności energetycznej WE porównano zużycie energii pierwotnej budynków istniejących EPi z wymogami zawartymi w warunkach technicznych WT (Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dn. 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie, DzU z 2015 r., poz tekst jednolity) EPi = 1,42GJ 277,7 = 394,33 > EPn (1) gdzie EPn - cząstkowa maksymalna wartość wskaźnika energii pierwotnej na potrzeby ogrzewania, wentylacji oraz przygotowania ciepłej wody użytkowej wynosi 85 kwh/(m 2. rok), wymagana od 1 stycznia 2017 roku. WE = EPn/EPi = 85/394,33 = 0,22 (2) Obliczony wskaźnik efektywności energetycznej strefy WE kształtuje się na poziomie 4,5-krotnie niższym w stosunku do wymogów normatywnych obecnie obowiązujących. Podany przykład dowodzi, iż na wybranym obszarze należy przedsięwziąć kroki zapobiegawcze. W kolejnych cyklach oceny badanej strefy zabudowy określić należy parametry krytyczne dla celów porównawczych z jednoczesnym prowadzeniem działań interwencyjnych poprawy jakościowej środowiska (np. obniżenie zużycia energii brudnej, która przekłada się na emisję np. CO 2 ).

78 78 P. Sobierajewicz Bezpośrednim efektem środowiskowym jest zmniejszenie zużycia energii pierwotnej, kosztów utrzymania zasobów oraz zmniejszenie emisji gazów cieplarnianych i niskiej emisji. Cechy środowiskowe strefy określają stan jakościowy rewitalizowanego obszaru w skali miasta. Jednocześnie parametry wiodące, między innymi WELemz - emisji CO 2 powinny być przyczynkiem do poprawy klimatycznej w skali lokalnej i globalnej, a szczególnie mieć odwzorowanie w prawie miejscowym, a następnie w projektach wykonawczych. Parametryzowanie stanu energetycznego i ekologicznego zasobów miejskich będzie kształtować ład przestrzenny w kierunku rozwiązań wysoko ekoefektywnych. Przykładem może być rewitalizacja dzielnicy Hafencity w Hamburgu z niskoemisyjnymi i często samowystarczalnymi energetycznie, wielofunkcyjnymi budynkami o nowoczesnej architekturze i różnorodnej funkcji mieszkalnej, biurowej handlowej i kulturalnej. PODSUMOWANIE, WNIOSKI Na podstawie przyjętej metody prośrodowiskowej zintegrowanej oceny ASEET wybranego obszaru miasta Gubin wyznaczono wiodące parametry ekologiczne i energetyczne. Na podstawie zebranych danych wejściowych dla reprezentatywnych budynków wraz z ich otoczeniem określone zostały wskaźniki efektywności zabudowy WEL, jako parametry wyjściowe do podejmowania zmian w obszarze rozwiązań technologicznych. Przytoczony przykład zabudowy wielorodzinnej z wielkiej płyty poddanej termomodernizacji elewacji wskazuje na brak pozytywnych efektów środowiskowych. Istnieje zatem konieczność prowadzenia stałego monitoringu w procesie modernizacji budynków i rewitalizacji obszarów miejskich, aby podejmować działania zmierzające do stałej poprawy efektywności energetycznej. W przytoczonym przykładzie można zmniejszyć koszty użytkowania o 4,5 razy, przyjmując za cel obecne wymogi, poprawiając tym samym efekt środowiskowy. Metodologia badań ASEET przyjęta w pracy [5] umożliwia prowadzenie cyklicznej oceny przestrzeni zbudowanej. Natomiast wyznaczone parametry wiodące mogą być rekomendowane jako wskaźniki jakości środowiska. Identyfikacja stanu jakościowego zabudowy poprzez wskaźniki efektywności stwarza nowe możliwości zarządzania przestrzenią miejską, szczególnie gdy rewitalizowana przestrzeń wymaga podjęcia natychmiastowych działań i określenia granic ryzyka. Ekoparametryzacja zabudowy miejskiej może być istotna w trakcie podejmowaniu decyzji inwestycyjnych. Szczególnego znaczenia nabiera ocena efektywności ekologicznej i energetycznej przy doborze i zastosowaniu najlepszych możliwych techniki BAT (ang. best practice metods and best available technology ). Aby zwiększyć aktywność i partycypację społeczną, należałoby upubliczniać parametry środowiska miejskiego. Tylko w ten sposób możliwa jest otwarta debata publiczna na temat obszarów kryzysowych.

79 LITERATURA Rewitalizacja zabudowy miejskiej w aspekcie energetycznym i ekologicznym 79 [1] Miasta przyszłości, wyzwania, wizje perspektywy, Polityka regionalna, Komisja Europejska, Dyrekcja Generalna ds. Polityki Regionalnej, Unia Europejska, wydanie polskie, Luksemburg 2011: Urząd Publikacji Unii Europejskiej, s. 5, [2] Wach K., Od człowieka racjonalnego do emocjonalnego. Zmiana paradygmatu nauk ekonomicznych, Horyzonty Wychowania 2010, 9(17), 96. [3] Stappen R.K., A Sustainable World is Possible. Der Wise Consensus: Problemlösungen für das 21 Jahrhundert. Impulsdokument Manuskript 1.2/2006. [4] Turner T., City as landscape: a post-postmodern view of design and planning, Spon, London: 1996, marzec, 2016, publikacja pdf,w]: online_ebook s/architecture_city_as_landscape/sustainable_ecobuilding. [5] Sobierajewicz P., Kształtowanie zabudowy miejskiej o zwiększonej efektywności ekologicznej i energetycznej, Wyd. Uniwersytetu Zielonogórskiego, Zielona Góra 2013, s. 22, 135, 172. [6] Zadanie badawcze Nr 1 dla NCBiR w latach : Analiza możliwości i skutków socjoekonomicznych wzrostu efektywności energetycznej w budownictwie. Realizowane przez zespół badawczy Uniwersytetu Zielonogórskiego WILiŚ pod kierunkiem dr inż. arch. J. Kopietz-Unger prof. UZ. Badania dla miasta Gubin prowadził dr inż. arch. P. Sobierajewicz. REVITALIZATION OF URBAN CONSTRUCTION IN ENERGETICAL AND ECOLOGICAL ASPECTS Modern trends in development of post-industrial cities are moving toward solutions generally considered as sustainable. Urban renewal accompanied by: improved image, increased social and economic activity. The article presents one of the methods of parametric evaluation of urban environment revitalization process in terms of energy and eco-factors. For example, in a model of urban space in Gubin opportunities to improvement the quality of space was identified basing on parameters of energetic and ecological. Environmental indicators may contribute to the display of urban environment and likely to increase local community participation in order to improve governance in build-up areas. Parameterization of environment can become a contribution to the new approach in planning and design solutions characterized by the fact that the city is regarded as one ecosystem. Each modernized space creates a correlative link in the eco-city. The text shows one of the methods of evaluating environmental impacts in terms of local and general urban space. On the basis of selected criteria for the evaluation of environmental parameters of eco-efficiency and energy the carried out studies showed the direction of eco-parameter space, which proved that there is a possibility of a permanent urban eco-revitalizing of built environment. We can not talk about eco-friendly architecture, especially in urban planning without indication of ecological parameters that affect the environment. In the sage of information and computing we have tools that give the ability of life-streaming monitoring of sustainability of the city and modeling changes on the basis of actual data. Eco-revitalization taking into account environmental aspects of urban space in terms of energy and environmental

80 80 P. Sobierajewicz efficiency will contribute to the improvement of economy, health, safety and the attractiveness of introducing a new order in the city landscape. Keywords: revitalization, sustainable architecture, sustainable urban planning, intelligent city, sustainability, energy efficiency, urban environment, ecology, social space, environmental assessment, low-carbon economy, low energy management, energy potential

81 Budownictwo o Zoptymalizowanym Potencjale Energetycznym 1(19) 2017, s DOI: /bozpe Kamil RÓŻYCKI Politechnika Warszawska, Wydział Mechaniczny, Energetyki i Lotnictwa TERMOMODERNIZACJA PRZYKŁADOWEGO BUDYNKU UŻYTECZNOŚCI PUBLICZNEJ W POLSKICH WARUNKACH KLIMATYCZNYCH W niniejszej pracy podjęto próbę doprowadzenia przykładowego obiektu użyteczności publicznej, zlokalizowanego w polskich warunkach klimatycznych, do aktualnych krajowych standardów. Aby osiągnąć nakreślone cele, należało określić stan techniczny budynku pod względem izolacyjności cieplnej przegród, stan wewnętrznych instalacji ogrzewczych wraz ze źródłem ciepła. Następnie zaproponowano rozwiązania termomodernizacyjne, które pozwolą zmniejszyć zapotrzebowanie obiektu na energię. Spośród nich wybrano optymalne przedsięwzięcie termomodernizacyjne. Rozważono ocieplenie ścian zewnętrznych, wymianę okien i drzwi, modernizację instalacji ogrzewania oraz instalacji przygotowania ciepłej wody użytkowej. Dodatkowo przeanalizowano dobór kolektorów słonecznych. Wyniki potwierdzają, że wybór odpowiednich zabiegów modernizacyjnych może zmniejszyć obliczeniowe zapotrzebowanie budynku na energię nawet o 73% w stosunku do stanu istniejącego. Budynek został zamodelowany w programie Audytor OZC 6.5 Pro. Część obliczeń przeprowadzono również przy użyciu programów RETScreen 4 oraz Microsoft Office Excel Otrzymane wyniki zostały zaprezentowane w artykule. Słowa kluczowe: termomodernizacja, budynek użyteczności publicznej, efektywność energetyczna WPROWADZENIE Celem przeprowadzonej analizy była ocena efektów energetycznych inwestycji związanej ze zwiększeniem efektywności energetycznej budynku użyteczności publicznej. Jednym z kluczowych działań Unii Europejskiej, pośrednio zawartym w Dyrektywie 2012/27/UE, jest poprawa efektywności energetycznej. Dyrektywa zakłada, że we wszystkich instytucjach publicznych należy wdrażać działania z zakresu efektywności energetycznej. Zarządcy budynków lub ich właściciele powinni wprowadzać działania, dające dobry przykład do naśladowania. Efektem tego mają być: ograniczenie lub redukcja emisji gazów cieplarnianych, wzrost bezpieczeństwa energetycznego oraz konkurencyjności gospodarki UE. Dodatkowo na rzecz wyboru tego tematu przemawia również wysoki potencjał w obszarze oszczędności energetycznych w polskim sektorze budownictwa.

82 82 K. Różycki 1. AKTUALNE WARUNKI TECHNICZNE DLA BUDYNKÓW UŻYTECZNOŚCI PUBLICZNEJ We wszystkich budynkach użyteczności publicznej (oznaczanych dalej BUP ) należy zaprojektować i wykonać odpowiednio: instalacje ogrzewcze (c.o.), wentylacyjne, klimatyzacyjne, ciepłej wody użytkowej (c.w.u.), a także oświetlenia wbudowanego. Tylko w takim przypadku zachowana będzie wymagana obecnie efektywność energetyczna, która jest jednym ze sposobów na zmniejszenie zapotrzebowania budynku na energię, a wraz z tym redukowane są koszty eksploatacyjne i negatywne skutki działania jednostki na środowisko. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [1] określa wymogi dla budynków. Należy spełnić minimalne wymagania dotyczące wartości wskaźnika EP [kwh/(m 2 rok], który określa roczne obliczeniowe zapotrzebowanie na nieodnawialną energię pierwotną odniesioną do powierzchni ogrzewanej lub chłodzonej [1]. Wyznacza się go zgodnie z przepisami dotyczącymi metodologii obliczania charakterystyki energetycznej budynku [2]. Obliczona wartość musi być mniejsza niż ta określona w ww. Rozporządzeniu. W tabeli 1 przedstawiono wartości obowiązujące oraz te, które je zastąpią w kolejnych latach. Tabela 1. Cząstkowe maksymalne wartości wskaźnika EP [kwh/m 2 rok] w BUP [1] Cząstkowe maksymalne wartości wskaźników EP na potrzeby ogrzewania, wentylacji oraz przygotowania ciepłej wody użytkowej, a także chłodzenia i oświetlenia [kwh/(m 2 rok)] Rodzaj potrzeby energetycznej Ogrzewanie, wentylacja oraz przygotowanie ciepłej wody użytkowej Chłodzenie Oświetlenie BUP opieki zdrowotnej BUP pozostałe BUP opieki zdrowotnej BUP pozostałe BUP opieki zdrowotnej BUP pozostałe od 1 stycznia * (powierzchnia 50 dla t 0 < 2500 godzin od 1 stycznia użytkowa chłodzona 100 dla t godzin budynku/powierzchnia użytkowa ogrzewana od 1 stycznia budynku), jeśli budynek posiada instalację chłodzenia 25 dla t 0 < 2500 godzin Drugim warunkiem, który należy również osiągnąć w budynkach nowo budowanych i modernizowanych, jest spełnienie wymogów dotyczących izolacyjności cieplnej przegród budynku. Wymagania te są również określone w Rozporządzeniu [1]. Każda z przegród, zarówno z tych przezroczystych, jak i nieprzezroczystych, musi spełnić kryterium minimalnej wartości współczynnika przenikania ciepła Najważniejsze z nich zostały zestawione w tabeli 2. Podobnie jak w poprzednim przypadku wskazano wartości obowiązujące i przyszłe.

83 Termomodernizacja przykładowego budynku użyteczności publicznej 83 Tabela 2. Izolacyjność cieplna przegród w BUP - współczynniki przenikania ciepła [1] Współczynnik przenikania ciepła U, wyrażony w W/(m 2 K) przy temperaturze wewnętrznej 16 C Rodzaj przegrody od 1 stycznia 2014 od 1 stycznia 2017 od 1 stycznia 2019 Ściana zewnętrzna Dachy, stropodachy i stropy nad nieogrzewanymi poddaszami lub nad przejazdami Strop nad nieogrzewaną piwnicą Podłoga na gruncie Okna Drzwi 0,25 0,20 0,25 0,30 1,30 1,70 0,23 0,18 0,25 0,30 1,10 1,50 0,20 0,15 0,25 0,30 0,90 1,30 2. OPIS STANU PRZYKŁADOWEGO BUDYNKU UŻYTECZENOŚCI PUBLICZNEJ W niniejszym opracowaniu zaprezentowano przykładowy budynek użyteczności publicznej, którego stan charakteryzuje obiekty biurowe typu Urząd Miasta. Dane meteorologiczne założono jak dla Warszawy - stacja Warszawa-Okęcie. Najważniejszymi parametrami, które przyjęto, są: współczynniki przenikania ciepła dla tradycyjnego budynku z lat XX wieku, cztery kondygnacje naziemne i jedna podziemna, kubatura 8000 m 3, powierzchnia ogrzewana 2800 m 2 oraz 250 osób użytkujących budynek. Dodatkowymi założeniami, związanymi z instalacjami, które przyjęto, są: ciepła woda użytkowa przygotowywana przez podgrzewacze elektryczne zasilane z sieci elektroenergetycznej, ogrzewanie za pomocą instalacji grzewczej wodnej z kotła gazowego zasilanego z sieci gazowej. W obiekcie występuje wentylacja grawitacyjna. Rys. 1. Rysunek własny zamodelowany w programie Audytor OZC 6.5 Pro

84 84 K. Różycki Mając już zadane parametry, zdecydowano się na zamodelowanie i stworzenie modelu budynku w programie Audytor OZC 6.5 Pro (rys. 1). Wykorzystując metodę obliczania projektowego obciążenia cieplnego, narzędzie pozwoliło obliczyć moc cieplną systemu grzewczego oraz zużycie energii cieplnej do ogrzewania w stanie aktualnym. Pozostałe niezbędne obliczenia wykonano, korzystając z programu Microsoft Office Excel Wyjątkiem był dobór instalacji kolektorów słonecznych. W tym wypadku skorzystano z programu RETScreen 4 i wybrano instalację w taki sposób, aby pokryć zapotrzebowanie na ciepłą wodę użytkową na poziomie około 30 33% w skali roku. 3. WYBRANY WARIANT I ANALIZA WYNIKÓW Zdecydowano się doprowadzić budynek do warunków technicznych, które będą obowiązywały od 1 stycznia 2019 roku. Przeprowadzono szereg usprawnień w celu zminimalizowania zapotrzebowania na energię w budynku. Przeanalizowano sześć wariantów głównych (z których każdy posiadał podwarianty) Pierwszy wariant obejmował samą modernizację systemu c.o. Kolejny wariant zawierał modernizację z wariantu pierwszego poszerzony o modernizację instalacji ciepłej wody użytkowej. W kolejnych wariantach dodawano kolejne działania zawarte w tabeli 3, kończąc na wariancie, który okazał się optymalny pod kątem zaoszczędzonej energii, obejmujący modernizację instalacji c.o. i c.w.u., ocieplenie ścian zewnętrznych, ocieplenie stropodachu, wymianę okien i drzwi oraz modernizację instalacji wentylacji. W związku z tym, że w większości budynków rzeczywistych występują problemy techniczne przy dociepleniu podłogi, takiego przedsięwzięcia nie zaproponowano. W tabeli 3 zestawiono wszystkie modernizacje wraz z podstawowymi danymi dotyczącymi każdego przedsięwzięcia. Tabela 3. Modernizacje dla badanego budynku Lp. 1 Instalacja c.o. 2 3 Instalacja c.w.u. Ściany zewnętrzne 4 Stropodach 5 Okna i drzwi 6 Instalacja wentylacji Wykaz przeanalizowanych modernizacji Wymiana instalacji c.o. zawierająca: podłączenie do sieci ciepłowniczej, wymiana grzejników na klimakonwektory, wymiana przewodów, montaż zaworów termostatycznych, wymiana pomp obiegowych Wymiana instalacji c.w.u. zawierająca: wykonanie nowych pionów z ciepłą wodą, wymiana przewodów, instalacja pomp cyrkulacyjnych, montaż instalacji kolektorów słonecznych pokrywającej około 33% zapotrzebowania na energię końcową do przygotowania c.w.u. Docieplenie 10 cm styropianu o współczynniku przewodzenia ciepła λ = 0,04 W/m 2 K Docieplenie 18 cm styropianu o współczynniku przewodzenia ciepła λ = 0,04 W/m 2 K Wymiana okien na okna o współczynniku przewodzenia ciepła U = 0,9 W/m 2 K oraz drzwi na U = 1,1 W/m 2 K Poprowadzenie kanałów wentylacyjnych, instalacja central wentylacyjnych z wymiennikiem odzysku ciepła o maksymalnej sprawności wynoszącej 85%

85 Termomodernizacja przykładowego budynku użyteczności publicznej 85 Jak już wyżej napisano, działania związane z dociepleniem ścian zewnętrznych, stropodachu oraz wymianą okien miały na celu doprowadzenie przegród do warunków technicznych. Modernizacja instalacji ciepłej wody użytkowej zawiera dodatkowo montaż instalacji kolektorów słonecznych. Tak jak wcześniej podano, dobrano taką wielkość instalacji, która pokrywa około 30% zapotrzebowania na energię końcową do przygotowania c.w.u. w ciągu roku. Zgodnie z danymi klimatycznymi znajdującymi się w programie RET Screen, w danej lokalizacji, z przykładowych kolektorów słonecznych pochylonych pod kątem 35 stopni, można uzyskać około 1,12 MWh/m 2 /rok. Oznaczało to, że z 1 kolektora słonecznego o powierzchni 2,51 m 2, przy braku strat, można uzyskać około 2,8 MWh/rok. Należy jednak uwzględnić straty wynikające ze sprawności wymiennika ciepła, straty związane z odprowadzaniem ciepła i inne pozostałe, które zmniejszają ten uzysk do około 1,03 MWh/rok. W związku z tym, że w analizowanym obiekcie energia potrzebna do przygotowania ciepłej wody użytkowej wynosi 70,8 GJ/rok (19,67 MWh/rok), to do pokrycia około 1/3 tej wartości potrzebujemy zastosować 6 kolektorów słonecznych (22,2 GJ/rok = 6,18 MWh/rok = 31% zapotrzebowania c.w.u.). Wykonane analizy wskazały potencjał oszczędności energii wynikający z wykonania głębokiej termomodernizacji budynku użyteczności publicznej. Odpowiednio zoptymalizowane działania zmniejszyły zapotrzebowanie budynku na energię na cele c.o. i przygotowania c.w.u. o około 73%. Najważniejsze wartości i wskaźniki charakteryzujące obiekt przed i po termomodernizacji zostały porównane w tabeli 4. Lp. Tabela 4. Porównanie stanu bazowego z wariantem optymalnym Charakterystyka energetyczna budynku Stan istniejący Stan po termomodernizacji 1 Obliczeniowa moc cieplna systemu grzewczego kw Obliczeniowa moc cieplna potrzebna do przygotowania ciepłej wody użytkowej (c.w.u.) kw 6,54 6,54 3 Roczne zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania budynku (bez uwzględnienia sprawności systemu grzewczego i przerw GJ/rok 952,3 325,1 w ogrzewaniu) 4 Roczne obliczeniowe zużycie energii do ogrzewania budynku (z uwzględnieniem sprawności systemu grzewczego i przerw GJ/rok 1561,6 384,4 w ogrzewaniu) 5 Roczne obliczeniowe zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną dla systemu ogrzewania GJ/rok 1717,2 307,5 6 Roczne obliczeniowe zużycie energii do przygotowania c.w.u. GJ/rok 47,7 48,6 7 Roczne obliczeniowe zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną na cele przygotowania c.w.u. GJ/rok 143,1 38,8 8 Wskaźnik rocznego zapotrzebowania na nieodnawialną energię kwh/ pierwotną EP dla systemu ogrzewania m 2 rok 170,4 30,5 9 Wskaźnik rocznego zapotrzebowania na nieodnawialną energię kwh/ pierwotną EP na cele przygotowania c.w.u. m 2 rok 14,2 3,8 10 c.o. + c.w.u. w stosunku do stanu istniejącego (energia końcowa) % 100,0 26,9 11 c.o. + c.w.u. w stosunku do stanu istniejącego (energia pierwotna) % 100,0 18,6

86 86 K. Różycki Obliczeniowe moce cieplne systemu grzewczego (Lp. 1) oraz roczne zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania budynku (bez uwzględnienia sprawności systemu grzewczego i przerw w ogrzewaniu) (Lp. 3), w stanie istniejącym oraz w stanie po modernizacji zostały wyznaczone za pomocą programu Audytor OZC. Obliczeniowa moc cieplna potrzebna do przygotowania ciepłej wody użytkowej (Lp. 2) jest taka sama w obu stanach i wyznaczona jest na podstawie normy [4]. Roczne obliczeniowe zużycie energii do ogrzewania budynku (z uwzględnieniem sprawności systemu grzewczego i przerw w ogrzewaniu) (Lp. 4) uzyskano, dzieląc wartość z wiersza 4 (Lp. 3) przez sprawności systemów (odpowiednio 60,98 i 84,59%). Roczne obliczeniowe zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną dla systemów ogrzewania (Lp. 5) otrzymano, mnożąc wartości energii końcowej (Lp. 4) przez wartości współczynnika nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej na wytworzenie i dostarczenie nośnika energii w i opisane w Rozporządzeniu [2]. W stanie istniejącym założono dla systemu ogrzewania w i = 1,1 (kocioł gazowy), a po modernizacji i przyłączeniu do miejskiej sieci ciepłowniczej w i = 0,8. Wartości rocznego obliczeniowego zużycia energii do przygotowania c.w.u. (Lp. 6) wyznaczono zgodnie z Rozporządzeniem [3]. Pomimo modernizacji wartość po modernizacji wzrasta. Wynika to z tego, że w stanie istniejącym sprawność wytwarzania c.w.u. wynosi 99%, a po modernizacji 66,54%. Zastosowanie kolektorów słonecznych zmniejsza zapotrzebowanie na c.w.u. z obliczeniowego 70,8 do 48,6 GJ/rok. Roczne obliczeniowe zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną na cele przygotowania ciepłej wody użytkowej (Lp. 7), podobnie jak w przypadku energii na cele ogrzewania, wyznaczono wykorzystując wartości współczynnika w i. W stanie istniejącym założono dla systemu przygotowania c.w.u. w i = 3 (energia elektryczna), po modernizacji w i = 0,8. Tabela 5. Porównanie wartości współczynnika nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej na wytworzenie i dostarczenie nośnika energii lub energii dla systemów technicznych w i [2] Lp. 1 Sposób zasilania budynku lub części budynku w energię Miejscowe wytwarzanie energii w budynku Rodzaj nośnika energii lub energii w i Gaz ziemny 1,1 Energia słoneczna 0 2 Ciepło sieciowe z kogeneracji Węgiel kamienny lub gaz 0,8 3 Sieć elektroenergetyczna systemowa Energia elektryczna 3 Wskaźniki rocznego zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną EP dla systemu ogrzewania (Lp. 8) oraz dla systemu przygotowania ciepłej wody użytkowej (Lp. 9) obliczono, przekształcając odpowiednio wartości z wierszy 6 i 8 (Lp. 5 i Lp. 7) z GJ na kwh, a następnie dzieląc przez powierzchnię ogrzewaną

87 Termomodernizacja przykładowego budynku użyteczności publicznej 87 budynku. Zauważamy, że w wariancie optymalnym wskaźnik EP (dla c.w.u. i c.o.) wynosi łącznie 34,3 kwh/m 2 rok i spełnia wymagania techniczne obowiązujące od 1 stycznia 2019 roku. Porównując stan istniejący ze stanem po modernizacji, zużycie energii końcowej na cele c.o. i c.w.u. zmniejszyło się o 73,1%. Sytuacja wygląda jeszcze lepiej, porównując wartości zapotrzebowania na energię pierwotną. W tym przypadku oszczędność energii wynosi 81,4%. PODSUMOWANIE Budowa nowych budynków o parametrach określonych w obowiązujących normach czy przeprowadzanie termomodernizacji budynków już istniejących, które i tak wymagają remontu, są powszechnie znanymi działaniami. W niniejszej pracy podjęto próbę przeanalizowania wpływu głębokiej termomodernizacji, przykładowego budynku użyteczności publicznej w polskich warunkach klimatycznych, na jego stan energetyczny. Zwiększanie efektywności energetycznej obiektów użyteczności publicznej może przynieść wiele pozytywnych rezultatów. Oprócz tych oczywistych, jak zmniejszenie zapotrzebowania budynku na energię czy redukcja emisji gazów cieplarnianych, jest także możliwość dawania dobrego przykładu zarządcom i właścicielom pozostałych budynków jednorodzinnych, wielorodzinnych i innych, które również mogą być efektywne energetycznie. W analizowanym budynku zastosowano większość znanych i możliwych do przeprowadzenia modernizacji, w tym modernizację instalacji c.o. i c.w.u., ocieplenie ścian zewnętrznych, ocieplenie stropodachu, wymianę okien i drzwi oraz modernizację instalacji wentylacji. Przeprowadzając ww. działania, należy rozważyć modernizację instalacji przygotowania ciepłej wody użytkowej wraz z zastosowaniem instalacji kolektorów słonecznych, ponieważ modernizacja ta, szczególnie w obiektach o dużym zapotrzebowaniu na energię na przygotowanie c.w.u. w dziennych godzinach pracy, jak ma to np. miejsce w obiektach biurowych, pozwala na widoczne oszczędności energetyczne, ekonomiczne i - co bardzo ważne - ekologiczne. Wraz z rozwojem energetyki odnawialnej działania takie będą coraz powszechniej stosowane. Odpowiednio wybrane działania mogą przynieść oszczędność energii końcowej w budynku nawet o 73% w stosunku do stanu istniejącego. LITERATURA [1] Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2012/27/UE z dnia 25 października 2012 r. w sprawie efektywności energetycznej, zmiany dyrektyw 2009/125/WE i 2010/30/UE oraz uchylenia dyrektyw 2004/8/WE i 2006/32/WE. [2] Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie, DzU z 2013 r., poz z późn. zm.

88 88 K. Różycki [3] Rozporządzenie Ministra Infrastruktury i Rozwoju z dnia 27 lutego 2015 r. w sprawie metodologii wyznaczania charakterystyki energetycznej budynku lub części budynku oraz świadectw charakterystyki energetycznej, DzU z 2015 r., poz [4] PN-B-01706:1992, Instalacje wodociągowe - Wymagania w projektowaniu. THERMOMODERNIZATION OF A SAMPLE PUBLIC BUILDING WHICH IS LOCATED IN POLISH CLIMATE CONDITIONS In this article, we can see an attempt to improve public building to current national standards. To achieve the set goals, it was necessary to determine the technical condition of the building in terms of thermal insulation of divisions, status of the internal heating systems with a heating source. Then, there were proposed the solutions of thermomodernization which will reduce the energy demand. From this solutions the optimal variant was selected. Author analysed variants with an insulation on the external wall, flat roof, replacement of windows and doors, modernization the heating system and the installation of domestic hot water. In addition, variant with solar panels was analysed. The results confirm that the selection of appropriate modernization activities can reduce the consumption of the building's energy by up to 73% compared to the existing one. The building was modeled in the Audytor OZC 6.5 Pro software. Part of the calculation was also performed using the RETScreen 4 software and Microsoft Office Excel The results were presented in the article. Keywords: thermomodernization, public building, energy efficiency

89 Budownictwo o Zoptymalizowanym Potencjale Energetycznym 1(19) 2017, s DOI: /bozpe Justyna JUCHIMIUK Uniwersytet Zielonogórski, Wydział Budownictwa, Architektury i Inżynierii Środowiska ARCHITEKTURA ENERGOEFEKTYWNA I WYKORZYSTANIE OZE W SKALI MIASTA Tworzenie dzielnic efektywnych energetycznie jest jednym z ciekawszych zjawisk ostatnich lat i tendencji rozwojowych wielu europejskich miast. W kompleksowości aspektów rozwoju miast i obszarów miejskich wyjątkowym wyzwaniem są działania na rzecz ochrony klimatu na wszystkich płaszczyznach planowania, a co się z tym wiąże - zmiana sposobu wykorzystywania energii, wprowadzenie energii odnawialnej i energetyki rozproszonej. Nowatorskie i innowacyjne rozwiązania proekologiczne na omówionych w artykule przykładach wyznaczają światowe standardy w zakresie zrównoważonego rozwoju obszarów miejskich oraz wykorzystania odnawialnych źródeł energii w różnych skalach. Słowa kluczowe: architektura energoefektywna, OZE, transformacja energetyczna obszarów miejskich, Almere, Fryburg Bryzgowijski, Kopenhaga WPROWADZENIE Działania architektoniczne na rzecz efektywności energetycznej wykraczają obecnie poza zakres pojedynczych budynków, sięgając do skali urbanistycznej: zespołów budynków, obszarów miejskich, a nawet całych miast. Dostrzegalna jest także zmiana w procesie projektowania w kierunku działań zintegrowanych. Wizja transformacji energetycznej obszarów miejskich obejmuje cele związane z optymalizacją zużycia energii, dystrybucją w szerszej skali OZE, redukcją emisji gazów cieplarnianych, a także rozbudzeniem w społeczeństwie świadomości proekologicznej oraz rozwojem prosumeryzmu w wymiarze energetycznym. Artykuł w dalszej części stanowi próbę przybliżenia projektów oraz zrealizowanych działań związanych z procesem przekształcania obszarów trzech miast europejskich: Almere, Fryburga Bryzgowijskiego oraz Kopenhagi. 1. HOLANDIA, ALMERE Almere - najmłodsze i najszybciej rozwijające się miasto w Holandii - w roku 2016 przekroczyło liczbę mieszkańców. Budowa miasta, zlokalizowanego na polderze Flevoland, rozpoczęła się w 1976 roku. Kontynuowany od lat 70. funkcjonalistyczny plan zakładał rozwój miasta w oparciu o kręgosłup linii kolejowej, uzupełnionej o sieć połączeń transportowych oraz infrastrukturę drogową

90 90 J. Juchimiuk i rowerową, dzięki czemu miasto jest zintegrowane komunikacyjnie, a poszczególne jego części są spójne i powiązane ze sobą za pomocą miejskiego systemu ciepłowniczego rozwoju [1]. Plan przestrzenny zagospodarowania centrum miasta Almere został opracowany w 1994 roku przez pracownię OMA i stanowi modelowy przykład rozwoju obszarów miejskich w dużej skali oraz społeczny i planistyczny eksperyment, pokazujący sposób funkcjonowania wybudowanego od podstaw miasta w XXI wieku. Współczesna rozbudowa miasta prowadzona jest według zasad projektowania ekologicznego i zrównoważonego rozwoju [1]. W dwóch nowo powstałych zespołach zabudowy Almere: Noorderplassen-West i Columbuskwartier (Almere Poort) w wyniku zastosowania kogeneracji oraz produkcji energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych nastąpiła znaczna redukcja zużycia energii konwencjonalnej do 31%, zaś emisji CO 2 ponad 50%. Powstało ponad 2000 nowych mieszkań w trzech klasach o podwyższonym standardzie efektywności energetycznej: 10% ekodomy, 25% domy solarne i 50% domy pasywne [2, 3] Dzielnica Noorderplassen-West Większość budynków w dzielnicy Noorderplassen-West charakteryzuje się standardem ekodomów, niektóre z nich wyposażono w systemy PV. Całość zabudowy mieszkaniowej uzyskuje ogrzewanie i produkcję ciepłej wody użytkowej za pomocą instalacji 520 kolektorów słonecznych o łącznej powierzchni ok m 2 zlokalizowanej na Zoneiland - Wyspie Słońca (2010). Jest ona czwartą co do wielkości instalacją solarną na świecie i ikoną krajobrazową Almere (rys. 1a). Instalacja produkuje rocznie blisko 9750 GJ energii odnawialnej na potrzeby 2700 mieszkań [2] Almere Poort - Columbuskwartier Rozpoczęty w 2005 roku zespół mieszkaniowy Columbuskwartier (proj. Van den Berg Groep, Han van Zwieten Architecten, TBI Bouwgroep, Johan Matser), będący częścią dzielnicy Almere Poort, tworzy około 500 domów solarnych i 103 domy pasywne (rys. 1c). Energię elektryczną zapewnia instalacja PV o mocy szczytowej 600 kwp umieszczona na dachach budynków. Ciepło na potrzeby całej dzielnicy dostarczane jest rurociągiem ze zlokalizowanej po drugiej stronie jeziora IJmeer zasilanej gazem ziemnym elektrociepłowni kogeneracyjnej Diemen-33, co pozwoliło na ograniczenie emisji CO 2 w 93% [3]. Rys. 1. Holandia - Almere: a) Noorderplassen-West i Zoneiland - Wyspa Słońca z lotu ptaka, b) zabudowa Noorderplassen-West, c) zabudowa Almere Poort - Columbuskwartier [4]

91 Architektura energoefektywna i wykorzystanie OZE w skali miasta NIEMCY, SOLARNY FRYBURG BRYZGOWIJSKI Zlokalizowana na południu Fryburga Bryzgowijskiego dzielnica Vauban często bywa określana jako ekologiczna i słoneczna stolica Niemiec z racji znakomitego nasłonecznienia, dużej ilości instalacji solarnych i fotowoltaicznych. Dzielnica o powierzchni 41 ha znajdująca się na terenie zajmowanym wcześniej przez francuską bazę wojskową stała się modelowym przykładem zrównoważonego rozwoju w architekturze i urbanistyce. Utworzenie dzielnicy możliwe było dzięki silnemu zaangażowaniu i współpracy mieszkańców Fryburga zrzeszonych w organizacji Forum Vauban. Ich wizją było stworzenie całkowicie nowego rodzaju dzielnicy miasta zaprojektowanej w zrównoważeniu aspektów: środowiskowego, gospodarczego i społecznego oraz wolnej od ruchu samochodowego [5]. Masterplan dla dzielnicy uwzględniający koncepcje przyszłych mieszkańców opracowany został przez stuttgarckie biuro Kohlhoff & Kohlhoff. Rozpoczęte w 1993 roku prace budowlane zostały zakończone w 2006 roku. W 2013 roku dzielnica liczyła 5631 mieszkańców. Wszystkie budynki mieszkalne jedno- i wielorodzinne w dzielnicy charakteryzują się standardami energooszczędnymi: pasywnym, zero- lub plusenergetycznym. Energię zapewniają panele słoneczne, ogniwa fotowoltaiczne i lokalna kogeneracyjna kotłownia zasilana zrębkami drewnianymi. Ilość generowanego prądu na osiedlu jest wyższa niż potrzeby, dlatego też Vauban sprzedaje nadwyżkę. Ponad 70% budynków zostało wybudowanych wysiłkiem mieszkańców indywidualnie lub w ramach działalności spółdzielni budowlanych, co pozwoliło znacząco obniżyć koszty inwestycyjne Osiedle Słoneczne - Solarsiedlung am Schlierberg i Heliotrop Zespół Solarsiedlung am Schlierberg z 2004 roku, zwany również Statkiem Słonecznym (Sonnenschiff), leży bezpośrednio w sąsiedztwie dzielnicy Vauban. Składa się z 60 jednostek mieszkaniowych i długiego na 125 m budynku usługowo-biurowego. W obiektach tworzących zespół zastosowano szereg proekologicznych strategii projektowych i technologii (m.in., wentylację z rekuperacją, izolacje próżniowe, materiały zmiennofazowe, pasywne ogrzewanie masy termicznej, oświetlenie naturalne), na dachach umieszczono instalację PV zapewniającą standard budynku plusenergetycznego [5]. Charakterystyczna bryła i kolorowa elewacja zespołu stała się wizytówką dzielnicy, zaś jego standard plusenergetyczny wyznacza drogę rozwoju dla współczesnej architektury miasta. Odpowiedzialny za projekt osiedla architekt Rolf Disch jest także autorem ikony Fryburg - samowystarczalnego energetycznie budynku Heliotrop z nadążną instalacją PV na dachu. Przykładami zastosowania OZE w innych częściach miasta mogą być obiekty użyteczności publicznej zlokalizowane na placu Maria von Rudolff-Platz z dachami pokrytymi instalacjami PV: Kościół Dwóch Wyznań z inteligentnym opomiarowaniem informującym na bieżąco o zużyciu i produkcji energii (proj. Kölner / Kister / Scheithauer / Gross, 2004), Mediateka - Glashaus (proj. Kister / Scheithauer / Gross, 2010) oraz nowy budynek Biblioteki Uniwersyteckiej (proj. Degelo Architekten Itten+Brechbühl, 2015), znajdujący się w centralnej części miasta z instalacją PV o powierzchni 2000 m 2 na dachu (rys. 2). Na wizerunek i markę Fryburga jako naj-

92 92 J. Juchimiuk bardziej słonecznego miasta Niemiec składa się także działalność Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems - ISE, w którym prowadzone są innowacyjne badania nad nowymi technologiami solarnymi w różnych skalach oraz ich wdrożenia. Rys. 2. Niemcy - Fryburg Bryzgowijski: a) Solarsiedlung am Schlierberg, b) Heliotrop, c) Biblioteka Uniwersytecka, d), e) Maria-von-Rudolff-Platz: Kościół Dwóch Wyznań oraz widok ww. placu z budynkami wyposażonymi w instalacje PV na dachu, f) budynek Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE (fot. J. Juchimiuk, 2015) [5] Warto wspomnieć, iż niemiecka transformacja energetyczna - Energiewende jako określenie, po raz pierwszy pojawiło się w publikacji Öko-Institut właśnie we Fryburgu [7]. Opisane powyżej przekształcenia energetyczne w miejskiej skali realizowane w oparciu o długoterminowe planowanie świadczą o procesie głębokiej transformacji sektora energii w tempie nieobserwowanym w innych krajach rozwiniętych. Przykładem tych przemian jest przede wszystkim Hamburg, gdzie zrealizowano m.in.: projekty demonstracyjne IBA , 2014+, koncepcja samowystarczalnego Wilhelmsburga 2050, działania w HafenCity oparte o OZE oraz dedykowany system wielokryterialnej oceny budynków - Ecolabel [8]. 3. DANIA, KOPENHAGA - NORDHAVNEN, ØRESTAD, ØSTERBRO Kopenhaga w perspektywie 2025 roku chce zrealizować wyznaczony cel krótkoterminowy i osiągnąć neutralny bilans CO 2 oraz wdrożyć EnergiePLAN - model planowania energetycznego. Długoterminowa wizja dla Danii to pokrycie w 100% dostaw energii ze źródeł OZE do 2050 roku [8]. Miasto Kopenhaga, w którego obszarze metropolitalnym żyje ponad 1/3 mieszkańców całego kraju, stanowi w tej energetycznej transformacji istotną rolę. Ørestad - nowa dzielnica zaprojektowana dla 20 tysięcy mieszkańców na zrekultywowanych podmokłych terenach na wyspie Amager od ponad dekady jest wizytówką dla zrównoważonego rozwoju obszarów miejskich. Zlokalizowany na jej obszarze hotel Crowne Plaza posiada największą w północnej Europie instalację zintegrowanych paneli fotowoltaicznych (BIPV) oraz system ogrzewania i chłodzenia budynku oparty na pompach ciepła (rys. 3a).

93 Architektura energoefektywna i wykorzystanie OZE w skali miasta 93 Nordhavnen jest określany jako największy duński projekt rozwoju obszarów miejskich. Ta nowa dzielnica Kopenhagi o przeważającej funkcji mieszkalno-biurowej zlokalizowana będzie w północno-wschodniej części dzielnicy Østerbro, na terenie byłego portu przemysłowego [10]. Jednym z przyjętych priorytetów było stworzenie dzielnicy miejskiej zrównoważonej pod względem energetycznym. W jej kwartałach znajdą się obiekty generujące energię elektryczną z OZE, głównie z PV i turbin wiatrowych. Planuje się także wykorzystanie: biopaliw produkowanych z alg morskich oraz energii geotermalnej. Innowacje w infrastrukturze dzielnicy polegają m.in.: na tworzeniu interakcji pomiędzy produkcją elektryczności a sieciami centralnego ogrzewania i chłodzenia oraz wodociągów i kanalizacji. Ten projekt transformacji energetycznej realizowany przez władze Kopenhagi od 2016 roku we współpracy z duńską firmą energetyczną Radius (DONG Energy) i koncernem ABB dotyczy sprawdzenia możliwości wykorzystania wielkoskalarnych akumulatorów litowo-jonowych w sieci elektroenergetycznej miasta. Magazyn energii umieszczony wewnątrz budynku istniejącego parkingu wielopoziomowego Lüders w centrum dzielnicy Nordhavnen (proj. ja-ja Architects) jako integralny składnik standardowej podstacji średnich napięć stanie się źródłem energii dla samochodów i miejskich autobusów elektrycznych [9, 10]. To nowatorskie rozwiązanie zapowiada szereg podobnych inwestycji w sieci elektroenergetycznej dzielnicy. Rys. 3. Kopenhaga: a) Ørestad - Hotel Crowne Plaza z elewacją BIPV (fot. J. Juchimiuk), b), c) Nordhavnen: koncepcja planu rozwoju (proj. COBE, współpraca Sleth, Polyform, Rambøll (2008), c) widok na Parking House Lüders (proj. ja-ja Architects) [11] WNIOSKI Polityka klimatyczna Unii Europejskiej zmierzająca do ograniczenia wpływu obszarów zabudowanych na zmiany klimatyczne obejmuje m.in.: zwiększenie efektywności energetycznej, rozbudowę energetyki wiatrowej, zwiększenie pozyskania energii z biomasy, zmniejszenie udziału energetyki węglowej, większe wykorzystanie fotowoltaiki, zwiększenie udziału innych technologii OZE, rozbudowę sieci i magazynowanie energii oraz elastyczne wytwarzanie energii elektrycznej. Niemcy, Holandia oraz kraje skandynawskie utrzymują wiodącą pozycję w dziedzinie ochrony środowiska na arenie międzynarodowej. Wdrażane w tych państwach rozwiązania architektoniczno-urbanistyczne oparte są o ideę odpowiedzialnego i oszczędnego gospodarowania przestrzenią oraz wszystkimi innymi zasobami przyrody. Projekty pilotażowe odgrywają tu istotną rolę. Służą one sprawdzeniu przyjętych modeli działań na rzecz ekologii miasta poprzez ocenę rozwiązań architektonicz-

94 94 J. Juchimiuk nych, urbanistycznych, doboru technologii oraz koncepcji energetycznej w celu szerokiego wdrażania ich w praktyce w większej skali. Zrównoważony rozwój współczesnych miast integruje wymogi ekologii z planowaniem przestrzennym, projektowaniem urbanistycznym i architektonicznym. Długoterminowy proces przemian na rzecz kształtowania nowego modelu życia, produkcji, konsumpcji, a także zamieszkiwania jest strategią, która zmierza do poprawy warunków zdrowotnych, ekonomicznych i socjalnych stale rosnącej liczby ich mieszkańców. Wykorzystanie OZE stanowi w tych krajach element podnoszący atrakcyjność przestrzeni miejskiej, co stymuluje stały rozwój technologii oraz pozwala na zachowanie równowagi między postępem technologicznym i światem przyrody. LITERATURA [1] van den Dobbelsteen, A smart vernacular planning: sustainable regional design based on local potentials and optimal deployment of the energy chain, Proceedings of the Conference on Sustainable Building SB08 Melbourne, CSIRO - Melbourne, Australia, 2008, [2] ter Horst E., Noach C., Verhoef L., Haaksma V., New energy for growing communities. The crrescendo sustainable building project, Horisun Renewable Energy Strat., Utrecht 2014, [3] Almere, dostęp: r. [4] Noorderplassen-West i Zoneiland, a) noorderplassenalmere.nl, b) c) - fot.vincent Tepper, dostęp: r. [5] Juchimiuk J., Materiał badawczy z wyjazdu naukowo-studialnego Niemcy - Holandia / Natura - Technologia - Kultura: Zrównoważone Środowisko Życia - Ogólnopolska Konferencja Naukowa KAiU WBAiIŚ UZ, WBiA ZUT w Szczecinie, [6] Disch R., The An ecological model for the future, Solarsiedlung GmbH, Freiburg-Germany, dostęp: r. [7] Morris C., Pehnt M., Niemiecka transformacja energetyczna, Berlin [8] Juchimiuk J., Revitalization of energy supply systems in the scale of a town, a district and an island, Civil and Environmental Engineering Reports-CEER 2016, 22(3), [9] CPH 2025 Climate Plan: A Green, Smart and Carbon Neutral City, The technical and environmental administration, City of Copenhagen, [10] Nordhavnen: From Idea to Project: Inner Nordhavn, By & Havn, Copenhagen [11] Nordhavnen - Strategia i plan rozwoju / proj. COBE, współ. Sleth, Polyform, Rambøll (2008). Ilustracja COBE, oraz P-H Lüders parknplay/, fot. Rasmus Hjortshøj, dostęp: r. ENERGY ACTIVE ARCHITECTURE AND RENEWABLE ENERGY SOURCES IN URBAN SCALE Creating energy efficient settlements has recently been one of the most interesting phenomena and development trends in many European cities. The complexity of aspects of urban development and urban activities is a special challenge for climate protection at all planning levels, as well as change in the use of energy, the introduction of renewable energy and dispersed energy generation. Novel and innovative proecological interventions realized in cases presented in the paper define global standards for sustainable urban development and use of renewable-energy sources. Keywords: energy effective architecture, renewable energy sources RES, transformation energy of urban areas, Almere, Freiburg, Copenhagen

95 Budownictwo o Zoptymalizowanym Potencjale Energetycznym 1(19) 2017, s DOI: /bozpe Виктор МИЛЕЙКОВСКИЙ, Ольга ШУВАЕВА Киевский национальный университет строительства и архитектуры ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СОЛНЕЧНОГО ОТОПИТЕЛЬНОГО ПРИБОРА ДЛЯ ПАССИВНОГО ОТОПЛЕНИЯ В РЕГИОНАХ С ДЛИТЕЛЬНОЙ ОБЛАЧНОЙ ПОГОДОЙ Выполнены серии численных экспериментальных исследований пассивного солнечного отопительного прибора повышенного термического сопротивления, который состоит из прозрачной стенки и тепло-светового абсорбера, пространство между которыми разделено наклонными прозрачными антиконвективными перегородками. Полученные результаты показали влияние ориентации отопительного прибора на его КПД. Приведены рекомендации по эффективной ориентации солнечного отопительного прибора и соответствующие КПД в зависимости от даты и времени суток. Ключевые слова: пассивное солнечное отопление, солнечный отопительный прибор, антиконвективные поверхности ВВЕДЕНИЕ Экономия ископаемых энергоресурсов, а также их рациональное использование на сегодняшний день является достаточно острым и актуальным вопросом для Украины, как и для всего мира. Один из способов решения этого вопроса - это использование возобновляемых источников энергии, в том числе солнечной [1-8]. В условиях экологического и экономического кризиса, а также невысоких доходов большинства населения Украины, высокая стоимость современных солнечных коллекторов и отопительных приборов ограничивает их широкое внедрение. Также ограничением для их использования являются районы с нестабильным поступлением солнечной энергии, где количество пасмурных дней значительно превышает количество солнечных дней, и присутствуют длительные непрерывные периоды пасмурной погоды. Пассивные солнечные системы отопления также имеют высокую стоимость и другие существенные недостатки. Поэтому на сегодняшний день разработка эффективных солнечных отопительных приборов для пассивных систем отопления, которые сочетают низкую стоимость и высокую эффективность, является актуальным вопросом.

96 96 В. Милейковский, О. Шуваева 1. АНАЛИЗ ПОСЛЕДНИХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ПУБЛИКАЦИЙ На сегодняшний день достаточно большое количество высокоэффективных систем солнечного теплоснабжения, в том числе и пассивного, разработаны и внедрены для зданий и сооружений различного назначения [1-8]. Но солнечные отопительные приборы для пассивных систем имеют ухудшенные теплозащитные свойства ограждающих конструкций и имеют ряд других существенных недостатков. Основные их недостатки - это значительный срок окупаемости при длительных облачных периодах, которые могут продолжаться месяцами, и высокая себестоимость оборудования. При этом во время длительной облачной погоды за счёт сниженного термического сопротивления конструкций теряется больше энергии, чем экономится в течение солнечных дней. Это делает подобные решения нецелесообразными для таких регионов.сезонная аккумуляция теплоты используется при длительном количестве облачных дней в холодный период года. Основной недостаток теплоаккумуляторов - это их значительные размеры и большой объём. Этот объем соизмерим с объёмом нескольких комнат. Системы, предложенные в [1-8], имеют дополнительную воздушную прослойку извне непрозрачных ограждающих конструкций, отделённую от наружного воздуха стеклопакетом или одинарным остеклением. Солнечная радиация нагревает внешнюю поверхность ограждающей конструкции. Если ограждающая конструкция будет иметь высокое сопротивление теплопередачи, то в помещение попадёт лишь малая часть абсорбированной теплоты. Альтернативой предлагается увеличить площадь светопрозрачных ограждающих конструкций и использовать внутренние поверхности помещений в качестве тепло-светового абсорбера. Как упомянуто выше, основной недостаток таких конструкций пассивных систем отопления - это низкое сопротивление теплопередачи. Кроме того, увеличение площади светопрозрачных ограждающих конструкций приводит к повышенной инсоляции в помещение, что мешает использованию телевизоров и компьютеров в холодный период года. Сплошная прозрачная наружная стена в помещении создаёт ощущение «незащищённости», возникает психологический дискомфорт [8]. Пассивные солнечные системы, которые объединены с естественной вентиляцией (потолочные пассивные солнечные воздухонагреватели, стены Тромба-Мишеля), перегревают верхнюю зону помещения. Существуют пассивные солнечные системы, не имеющие таких недостатков [6-8]. В таких системах используется теплоизоляционная засыпка, которая изымается и засыпается с помощью пневматической системы. Подобные системы имеют высокую цену и не могут быть использованы большинством населения из-за недостаточного уровня доходов. Таким образом, существует необходимость разработки пассивного солнечного отопительного прибора повышенного термического сопротивления.

97 Исследование эффективности солнечного отопительного прибора для пассивного отопления ФОРМУЛИРОВКА ЦЕЛЕЙ И ЗАДАЧ В СТАТЬЕ Целью данной работы является определение эффективности пассивных солнечных отопительных приборов и разработка рекомендаций по их применению по результатам завершённой серии численных экспериментальных исследований. 3. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ Для регионов с нестабильным поступлением солнечной энергии авторами разработаны эффективные конструкции солнечных отопительных приборов для пассивного отопления (рис. 1), термическое сопротивление которых достигает термического сопротивления наружных стен. Способ передачи теплоты от них в помещение - радиационный. Солнечные пассивные отопительные приборы могут быть использованы в комбинации с системами отопления на вторичных, возобновляемых или ископаемых энергоресурсах [9, 10]. Глубокая воздушная прослойка предложенного солнечного пассивного отопительного прибора разделена наклонными прозрачными антиконвективными перегородками, что уменьшает конвективную теплопередачу внутри конструкции. Наклонные перегородки могут быть расположены вверх к внешней поверхности, что уменьшает поглощение света. Однако, холодная стенка оказывается выше горячей, что, соответственно, снижает термическое сопротивление конструкции. Рис. 1. Солнечный пассивный отопительный прибор: 1 - тепло-световой абсорбер, 2 - наружная стенка, 3 - прозрачные или частично прозрачные антиконвективные перегородки, 4 - воздушные прослойки Выполнена серия экспериментальных исследований термического сопротивления пассивных солнечных отопительных приборов [11, 12]. Толщина моделей принята 50 мм. Полученные результаты позволили оптимизировать геометрические размеры конструкции. Результаты экспериментального определения коэффициента теплопередачи показали, что наиболее эффективными являются модели пассивных солнечных отопительных приборов с вертикаль-

98 98 В. Милейковский, О. Шуваева ным расстоянием между перегородками, равное 1/6 их высоты. Коэффициент теплопередачи моделей, в которых перегородки расположены вниз к горячей поверхности, ориентировочно вдвое больше, чем коэффициент теплопередачи при противоположном расположении перегородок. Уменьшение угла наклона и расстояния между перегородками снижает коэффициент теплопередачи, но при этом увеличивается количество перегородок, что, соответственно, делает конструкцию более тяжёлой и удорожает её. Для определения КПД солнечного отопительного прибора выполнено серию численных экспериментальных исследований (рис. 2). КПД солнечного отопительного прибора определяется по формуле: η = q int /q solar (1) где: q int - теплоотдача внутренней поверхности, Вт/м 2 ; q solar - поток солнечной радиации, Вт/м 2, на перпендикулярную солнечным лучам поверхность. Такой КПД является характеристикой не только конструкции пассивного солнечного отопительного прибора, но и его ориентации. Отклонение фактического расположения поверхности пассивного солнечного отопительного прибора от нормального солнечным лучам учтено как снижение КПД, что позволяет упростить инженерный расчёт. Рис. 2. Моделирование процессов в солнечном пассивном отопительном приборе: 1 - модель пассивного солнечного отопительного прибора, 2 - тепло-световой абсорбер, 3 - прозрачные или частично прозрачные антиконвективные перегородки, 4 - ограждающая конструкция, в которой находиться пассивный прибор, 5 - расчётная область, 6 - поток солнечной энергии, 7 - воздушные прослойки между прозрачными или частично прозрачными антиконвективными перегородками

99 Исследование эффективности солнечного отопительного прибора для пассивного отопления 99 Солнечная радиация моделируется по стоянию солнца согласно календарю, ориентации модели и времени суток. Условия моделирования: ясная погода, атмосферное давление Па, температура наружного воздуха T = 253,15; 263,15; 273,15; 283,15; 293,15 К (последнее значение - без перепада температуры, для полноты информации). Параметры модели пассивного солнечного отопительного прибора: коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности α = 8,7 Вт/(м 2 K), температура воздуха в помещении Т = 293,15 K, шероховатость стенки модели 5 мкм, материал - стекло, все поверхности - стекло - за исключением тепло-светового абсорбера, для которого задано поверхность «абсорбер» (все приходящие лучи поглощаются полностью). Поток солнечной радиации принят 1000 Вт/м 2. Ориентация принята: 0 - север; 45 - северо-восток; 90 - восток; юго-восток; юг; юго-запад; запад; северо-запад. Солнечная радиация моделировалась для периода с октября по март, с 10 до 16 часов включительно. Наиболее вероятный режим движения воздуха в исследуемых моделях - ламинарное движение или неподвижный воздух, для которого использованы уравнения Навье-Стокса и уравнение энергии. Но данные модели автоматически определяют возможную турбулизацию потока. В этом случае автоматически применяется k-ε модель турбулентных течений. Для твёрдых элементов применено уравнение теплопроводности. В результате получено достаточное высокие значение КПД (рис. 3-8), пассивных солнечных отопительных приборов повышенного термического сопротивления, достигающие 30 40%. Рис. 3. Значения КПД в зависимости от ориентации абсорбера по отношению к северному направлению - октябрь, температура наружного воздуха минус 10 С: квадрат - 10 часов, треугольник 12 часов, квадрат с белым крестиком - 14 часов, круг - 16 часов

100 100 В. Милейковский, О. Шуваева Рис. 4. Значения КПД в зависимости от ориентации абсорбера по отношению к северному направлению - октябрь, температура наружного воздуха плюс 10 С. Обозначения см. рис. 3 Рис. 5. Значения КПД в зависимости от ориентации абсорбера по отношению к северному направлению - декабрь, температура внешнего воздуха минус 10 С. Обозначения см. рис. 3 Это достаточно высокий показатель для данного типа приборов, особенно, с учётом невозможности оптимального размещения по архитектурным соображениям. Поскольку термическое сопротивление моделей близко к термическому сопротивлению наружных ограждающих конструкций, то такие отопительные приборы не повышают теплопотери в окружающую

101 Исследование эффективности солнечного отопительного прибора для пассивного отопления 101 среду при облачной погоде, которая может длиться большую часть времени отопительного периода. Рис. 6. Значения КПД в зависимости от ориентации абсорбера по отношению к северному направлению - декабрь, температура внешнего воздуха плюс 10 С. Обозначения см. рис. 3 Рис. 7. Значения КПД в зависимости от ориентации абсорбера по отношению к северному направлению - март, температура внешнего воздуха минус 10 С. Обозначения см. рис. 3

102 102 В. Милейковский, О. Шуваева Рис. 8. Значения КПД в зависимости от ориентации абсорбера по отношению к северному направлению - март, температура внешнего воздуха плюс 10 С. Обозначения см. рис. 3 Таким образом экономится теплота на отопление при солнечной погоде. Это также позволяет выполнить широкое внедрение предложенных отопительных приборов повышенного термического сопротивления. На графиках (рис. 3-8) максимальное значение КПД соответствует наиболее эффективной ориентации и времени суток: для углов 135 (юго-восток) - 10 часов; 180 (юг) - 12 часов; 225 (юго-запад) - 16 часов. Направления 0 (север), 45 (северо-восток), 90 (восток) и 315 (северо-запад) не эффективны. В холодный период года с 16 часов до 10 часов следующих суток нет значимых поступлений солнечной радиации. В холодный период года солнце поднимается на небольшую высоту над горизонтом. В этом случае вертикальное расположение пассивного солнечного отопительного прибора позволяет увеличить поступления солнечной энергии с последующим её преобразованием в тепловую. Соответственно, в тёплый период года вертикальные поверхности малоэффективно воспринимают прямую солнечную радиацию, что приводит к уменьшению теплопоступлений в помещение. Однако, с учётом рассеянной и диффузной солнечной радиации, рекомендуется оборудовать пассивные солнечные отопительные приборы регулируемой (жалюзи или ролеты)солнцезащитой даже при условии южной ориентации и установки солнцезащитного козырька. ЗАКЛЮЧЕНИЕ, ВЫВОДЫ Предложены пассивные солнечные отопительные приборы повышенного термического сопротивления, которое близко к термическому сопротивлению наружных ограждающих конструкций. Такие отопительные приборы

103 Исследование эффективности солнечного отопительного прибора для пассивного отопления 103 не повышают теплопотери в окружающую среду при облачной погоде, которая может длиться большую часть времени отопительного периода. Это позволит сэкономить теплоту на отопление при солнечной погоде и обеспечить широкое внедрение предложенных отопительных приборов. Максимальное значение КПД пассивных солнечных отопительных приборов соответствует рекомендуемым ориентациям при времени суток: для углов 135 (юго-восток) - 10 часов, 180 (юг) 12 часов, 225 (юго-запад) - 16 часов и составляет 38,5, 47,3, 39,1. Направления моделей отопительных приборов повышенного термического сопротивления: 0 (север), 45 (северо- -запад), 315 (северо-восток), не эффективны. В последующих статьях планируется провести исследования по КПД пассивных солнечных отопительных приборов при отсутстви и прямого облучения их солнечными лучами. ЛИТЕРАТУРA [1] Афанасьева О.К., Архитектура малоэтажных жилых домов с возобновляемыми источниками энергии. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата архитектуры, О.К. Афанасьева, МАРХИ, М.: 2009, 20 с. [2] Гужулев Э.П., Основы современной малой энергетики. Том 3. Учеб. пособие: в 3 т., Э.П. Гужулев, В.В. Шалай, А.Н. Лямин, А.Б. Калистратов, Изд-во ОмГТУ, Омск 2006, Т. 3, 528 с. [3] Габриель И., Ладенер Х., Реконструкция зданий по стандартам энергоэффективного дома, И. Габриель, Х. Ладенер, БХВ-Петербург, СПб.: 2011, 480 с. [4] Виссарионов В.И., Солнечная энергетика, В.И. Виссарионов, Г.В. Дерюгина, Издательский дом МЭИ, Москва 2008, 276 с. [5] Казаченко С.В., Солнечная энергетика в Крыму. Методическое пособие для специалистов и всех интересующихся проблемами использования солнечной энергии, С.В. Казаченко, С.А. Кибовский и др., Киев-Симферополь 2008, 202 с. [6] Blight T.S., Coley D.A., Sensitivity analysis of the effect of occupant behaviour on the energy consumption of passive house dwellings, Energy and Buildings 2013, 66, [7] Rosenthal, Elisabeth (December 26, 2008). Houses With No Furnace but Plenty of Heat. The New York Times. Retrieved There are now an estimated 15,000 passive houses around the world, the vast majority built in the past few years in German-speaking countries or Scandinavia. [8] Габриель И., Ладенер Х., Реконструкция зданий по стандартам энергоэффективного дома. Vom Altbau zum Niedrigenergieund Passivhaus, БХВ, СПб.: 2011, 478 с. [9] Патент UAМПК ( ) F 24 J 2/04 ( ) F 04 B 23/00. Сонячний коллектор (Варіанти), О.П. Любарець, В.О. Мілейковський, О.Ю. Шуваєва. [10] Патент UAМПК ( ) F 24 J 2/24 ( ). Сонячний колектор, О.П. Любарець, В.О. Мілейковський, О.Ю. Шуваєва. [11] ГОСТ Межгосударственный стандарт. Блоки оконные и дверные. Методы определения сопротивления теплопередаче. / НИИ строительной физики Российской академии архитектуры и строительных наук. - взамен ГОСТ , СТ СЭВ Введ , Госстрой России, ГУП ЦПП, М.: 2000, 30 с. [12] Вентиляція, освітлення та теплогазопостачання: науково-технічний збірник, Вип. 20 / відповідальний редактор Е.С. Малкін, КНУБА, СПб.: 2016, 112 с.

104 104 В. Милейковский, О. Шуваева RESEARCH OF EFFICIENCY SOLAR HEATING DEVICE FOR PASSIVE HEATING IN THE REGIONS WITH PROLONGED CLOUDY WEATHER Series of numerical experimental research are performed on models of passive solar heater of high thermal resistance, which consists of a transparent wall and the heat and light absorber, the space between wall and absorber is divided by inclined transparent anti-convective barriers. The results showed the influence of the orientation of the heater on its efficiency. The recommendations for an effective orientation of the solar heater and the corresponding efficiency depending on the date and time of day are presented. Keywords: passive solar heating, solar heater, anti-convective surface

105 Budownictwo o Zoptymalizowanym Potencjale Energetycznym 1(19) 2017, s DOI: /bozpe Zbigniew RESPONDEK Politechnika Częstochowska, Wydział Budownictwa ROZKŁAD OBCIĄŻEŃ ŚRODOWISKOWYCH W WIELOKOMOROWEJ SZYBIE ZESPOLONEJ W artykule analizowano wpływ interakcji gazu w szczelnych komorach szyby zespolonej na przekazywanie obciążeń między szybami zestawu. Na podstawie ogólnego prawa gazowego zaproponowano model obliczeniowy do określania obciążeń na elementy wielokomorowej szyby zespolonej poddanej działaniu zmiennych czynników atmosferycznych (ciśnienie, temperatura) i obciążeń powierzchniowych. Przedstawiono przykład dystrybucji jednostkowego obciążenia powierzchniowego na szyby zestawu jako korzystny wpływ szczelności komory na przekazywanie obciążeń. Słowa kluczowe: szkło w budownictwie, szyby zespolone, obciążenia środowiskowe WPROWADZENIE Szyby zespolone są powszechnie stosowanym elementem zewnętrznych przegród budowlanych, takich jak okna i szklane elewacje. Ideą zastosowania szczelnej wypełnionej gazem komory w konstrukcji szyby zespolonej było polepszenie izolacyjności cieplnej tej przegrody. Szczelność komory ma również wpływ na mechaniczną pracę zestawu szyb. Zmienne czynniki atmosferyczne: ciśnienie powietrza, temperatura, wiatr itp. mają wpływ na parametry gazu w komorach szyby, co generuje obciążenia, które są charakterystyczne dla tego typu konstrukcji. Zamknięty w komorach gaz jest też czynnikiem wpływającym na wzajemne przekazywanie (interakcję) obciążeń między szybami zestawu. Obliczeniowy model rozkładu obciążeń środowiskowych w szybie jednokomorowej przedstawiono m.in. w pracach [1-5]. W artykule zaproponowano uogólniony model dla zestawu o dowolnej liczbie komór. Analizowane zagadnienie jest istotne zarówno z punktu widzenia bezpieczeństwa konstrukcji, jak i walorów estetycznych elewacji - nadmierne ugięcia mogą powodować zniekształcenie oglądanego w świetle odbitym obrazu. 1. OBCIĄŻENIA ŚRODOWISKOWE DZIAŁAJĄCE NA SZYBĘ ZESPOLONĄ Wbudowana w konstrukcję szyba zespolona poddana jest obciążeniom środowiskowym, które powodują określone skutki w postaci odkształcenia składowych szklanych płyt zestawu. Ważnym czynnikiem są tutaj zmiany parametrów gazu

106 106 Z. Respondek wypełniającego szczelne komory międzyszybowe. Zmiany te, wpływając na odkształcenie ograniczających je szyb, determinują wartość obciążenia działającego na te szyby. Podstawą analiz w tym zakresie jest założenie, że stan gazu w każdej z komór z wystarczającą dokładnością można opisać prawem gazowym adekwatnym dla typowych gazów wypełniających komory (powietrze, argon, ksenon) p0 v T 0 0 pe v = T e e = const gdzie: p 0, T 0, v 0 - parametry początkowe gazu w komorze: ciśnienie [kpa], temperatura [K], objętość komory [m 3 ]; p e, T e, v e - parametry eksploatacyjne gazu w komorze: ciśnienie [kpa], temperatura [K], objętość komory [m 3 ]. Parametry początkowe ciśnienia i temperatury mogą wynikać z technologicznych uwarunkowań zespalania zestawu w wytwórni lub - przy założeniu braku idealnej szczelności komory - być przyjęte jako uśrednione warunki eksploatacyjne. Zmianę objętości komory spowodowaną obciążeniem eksploatacyjnym można określić przez scałkowanie funkcji ugięcia szyb ograniczających daną komorę. Założono, że wielkość ta nazwana objętością pola przemieszczenia [2, 5] w przypadku ugięć nie większych niż grubość szkła jest proporcjonalna do wypadkowego obciążenia szyby o indeksie i, wtedy gdzie: v i i b a v = ± w(x, y)dxdy = ±α q (2) objętość pola przemieszczenia komory spowodowana ugięciem jednej z szyb ograniczających tę komorę [m 3 ]; w(x,y) - funkcja ugięcia, m, wynikająca z teorii płyt, np. [6]; jest to zależność wartości ugięcia od współrzędnych (x,y) dowolnego punktu położonego na szklanej tafli o szerokości a i długości b; α i - współczynnik proporcjonalności [m 5 /kn]; jest to objętość pola przemieszczenia przy jednostkowym obciążeniu wypadkowym szyby; q i - wypadkowe obciążenie działające na szybę o indeksie i [kn/m 2 ]. We wzorze (2) znaki należy dobrać tak, aby dodatnia wartość wskazywała na zwiększenie objętości komory. Eksploatacyjna objętość danej komory v e jest więc algebraiczną sumą objętości początkowej v 0 i objętości pól przemieszczeń szyb ograniczających tę komorę. Sposób określania wartości współczynników α i dla szyby swobodnie podpartej zaproponowano w artykułach [2, 5]. Wartości te są zależne od grubości szyb, ich wymiarów i cech materiałowych szkła. Na szyby zespolone działają następujące obciążenia środowiskowe: zmiana zewnętrznego ciśnienia atmosferycznego i temperatury gazu w komorach - powoduje zmiany ciśnienia gazu zamkniętego w komorach i zmianę ich i i (1)

107 Rozkład obciążeń środowiskowych w wielokomorowej szybie zespolonej 107 objętości; przy wzroście ciśnienia zewnętrznego lub spadku temperatury gazu w komorze szyby zestawu przyjmują formę wklęsłą (rys. 1a, b), w przeciwnym wypadku są wypukłe (rys. 1c), obciążenia powierzchniowe związane np. z parciem lub ssaniem wiatru (rys. 1d) lub obciążeniem śniegiem - interakcja zmieniającego swoje parametry gazu w komorze sprawia, że obciążenie rozkłada się na wszystkie szyby zestawu, co korzystnie wpływa na rozkład maksymalnego naprężenia w zestawie; analizę tego wpływu przedstawiono w pkt. 3, zmiany temperatury w grubości płyty szklanej - skutkują ugięciem szyb, które ma wpływ na objętość pola przemieszczenia i generuje obciążenia; wpływ ten można wymodelować przez wprowadzenie zastępczego obciążenia powierzchniowego, co opisano w artykułach [2, 5]. a) b) c) d) Rys. 1. Odkszałcenia w szybach zespolonych: a) zestaw nieobciążony, b) wzrost ciśnienia zewnętrznego lub spadek temperatury w komorach, c) spadek ciśnienia zewnętrznego lub wzrost temperatury w komorach, d) obciążenie parciem wiatru 2. MODEL OBLICZENIOWY ROZKŁADU OBCIĄŻEŃ W ZESTAWIE SZYB Określenie wypadkowego obciążenia eksploatacyjnego dla każdej z szyb zestawu wielokomorowego jest możliwe po wyznaczeniu ciśnienia gazu w komorze przy danych wartościach obciążeń. Przyjęto następujące założenia: obciążony czynnikami środowiskowymi układ szyb pozostaje w równowadze, jeżeli w każdej z komór spełnione jest prawo gazowe (1) przy wynikających ze wzoru (2) objętościach pola przemieszczenia komór, parametry początkowe gazu w komorach p 0, T 0 są znane i jednakowe dla wszystkich komór, pominięto obciążenie ciężarem własnym szyb (pionowa pozycja zestawu) i zmiany temperatury w grubości szkła. W oznaczeniach parametrów komór i szyb tworzących zestaw użyto indeksów przedstawionych na rysunku 2. Indeksy ex i in dotyczą elementów zestawu i czynników działających odpowiednio: od strony powietrza zewnętrznego i od strony pomieszczenia. Przyjęto również, że na zestaw mogą działać zewnętrzne obciążenia powierzchniowe q z,ex i q z,in, których wartość jest dodatnia, jeżeli są zwrócone do wnętrza pomieszczenia (z lewej do prawej według układu jak na rys. 2).

108 108 Z. Respondek (n-1)-(n) ex in (n-2)-(n-1) q z,ex q z,in 1 2 n-1 n Rys. 2. Oznaczenia indeksowe komór i szyb w zestawie n-komorowym Na podstawie wzorów (1) i (2) możliwe jest sformułowanie dla każdej komory szyby n-komorowej równania stanu z niewiadomymi ciśnieniami eksploatacyjnymi gazu w komorach p 1, p 2,..., p n. Po odpowiednich przekształceniach otrzymano: dla komory oznaczonej indeksem 1 2 ( α + α ) α p p + ( v α c ) p p v T /T 0 ex 1 2 p ex ex = (3) dla komór oznaczonych indeksem i = 2,..,(n 1) ( + α ) α + p α p p α + p p + (i 1) i i (i 1) + v 2 i 0i p p v i (i 1) 0 i 0i (i 1) T /T = 0 i i 0 i (i 1) i (i 1) + (4) dla komory oznaczonej indeksem n 2 ( α + α ) α p p + ( v α c ) p p v T /T 0 ( n 1) n in pn (n 1) n (n 1) n 0n in in n 0 0n n 0 = (5) gdzie: v 01,...,v 0n - objętości początkowe komór [m 3 ]; T 1,...,T n - średnie eksploatacyjne temperatury gazu w komorach [K]; α ex, α 1-2,..., α (n-1)-n, α in - współczynniki proporcjonalności dla szyb zestawu [m 5 /kn]; c ex = p ex + q z,ex ; p ex - eksploatacyjne ciśnienie powietrza zewnętrznego [kpa]; c in = p in q z,in ; p in - eksploatacyjne ciśnienie powietrza w pomieszczeniu [kpa]. Pozostałe oznaczenia jak w tekście. Równania stanu dla wszystkich komór w zestawie tworzą układ n równań kwadratowych, którego rozwiązanie pozwala na obliczenie eksploatacyjnych ciśnień gazu w komorach zestawu i rozwiązanie wielu zadań związanych z rozkładem obciążeń w szybach ze szczelnymi przestrzeniami gazowymi obciążonymi czynnikami środowiskowymi. Zasadne jest rozwiązanie powyższego układu numerycznie - jedynie w przypadku szyby jednokomorowej układ redukuje się do jednego równania kwadratowego, którego rozwiązanie można podać w postaci wzoru p 2 cex αex + cin αin v01 cex αex + cin αin v01 p0 vo1 T1 1 = + + (6) 2 ( αex + α ) in 2 ( αex + αin) ( αex + αin) T0

109 Rozkład obciążeń środowiskowych w wielokomorowej szybie zespolonej PRZYKŁAD OBLICZENIOWY - DYSTRYBUCJA JEDNOSTKOWEGO OBCIĄŻENIA ZEWNĘTRZNEGO W analizowanym przykładzie założono, że zestaw szyb jest obciążony zewnętrznym obciążeniem powierzchniowym q z,ex o wartości 1 kn/m 2. W przypadku możliwości wyrównania ciśnień w komorach zestawu do wartości ciśnienia atmosferycznego p a obciążona byłaby jedynie - pomijając efekty brzegowe, związane ze współpracą ramki dystansowej - zewnętrzna szyba zestawu (rys. 3a). W przypadku komór szczelnych (rys. 3b) zmiana objętości komory spowodowana odkształceniem szyby obciążonej powoduje zmianę ciśnienia gazu generującą dystrybucję obciążenia zewnętrznego na pozostałe szyby zestawu. q z,ex q z,ex p a p a p a p a p ex p 1 p 2 p in Rys. 3. Obciążenia i odksztalcenia w szybie zespolonej: a) komory nieszczelne, b) komory szczelne W tabeli 1 przedstawiono wyniki obliczeń, wykonanych z wykorzystaniem modelu obliczeniowego z pkt. 2, dystrybucji obciążeń w przykładowym zestawie szyb. Przyjęto następujące parametry zestawu: liczba komór: od 1 do 3, wymiary komory ,16 cm, p 0 = 100 kpa, T 0 = 293,15 K, przyjęto grubość szyb 4 mm oraz normowe [7] cechy materiałowe: moduł Younga E = 70 GPa, współczynnik Poissona ν = 0,2. Obciążenie wypadkowe poszczególnych szyb obliczono na zasadzie różnicy ciśnień pomiędzy komorami lub komorą a otoczeniem z uwzględnieniem ciśnienia równoważnego zewnętrznemu obciążeniu powierzchniowemu. Tabela 1. Dystrybucja obciążenia zewnętrznego 1 kn/m 2 na szyby zestawu Rodzaj zestawu Obciążenie wypadkowe [kn/m 2 ] na szybę oznaczoną indeksem ex in 1-komorowy 0,534 0,466 2-komorowy 0,405 0,318 0,277 3-komorowy 0,355 0,261 0,205 0,179

110 110 Z. Respondek Wyniki obliczeń wykazują, że przy wzroście liczby komór maksymalne obciążenie wypadkowe działające na zestaw szyb zmniejsza się, gdyż obciążenie zewnętrzne rozkłada się na większą liczbę płyt szklanych. Jest to przykład korzystnej dystrybucji obciążeń w zestawach szyb o szczelnych komorach. WNIOSKI Zespolone szyby wielokomorowe są coraz częściej stosowane w praktyce. Zaproponowany w artykule model obliczeniowy, uwzględniający współpracę szczelnych komór wypełnionych gazem w przekazywaniu obciążeń, pozwala na określenie wypadkowego obciążenia składowych elementów zespolonego układu szyb, co zilustrowano przykładem obliczeniowym. Znajomość rozkładu obciążeń jest podstawą do określenia ugięcia, naprężenia i wytężenia w wielokomorowych szybach zespolonych o różnych parametrach geometrycznych (wymiary, grubości szyb i komór) i różnych cechach materiałowych, pracujących w określonych (lub uznanych za graniczne) warunkach środowiskowych. LITERATURA [1] Feldmeier F., Obciążenia temperaturowe zespolonych szyb izolacyjnych. Część I, Świat Szkła 1997, 6, Część II, Świat Szkła 1998, 1. [2] Respondek Z., Modelowanie obciążeń klimatycznych szyb zespolonych. Część I, Świat Szkła 2004, 12, Część II, Świat Szkła 2005, 1. [3] Obliczenia szyb zespolonych podpartych na krawędziach. Instrukcje, Wytyczne, Poradniki nr 426/2007, Instytut Techniki Budowlanej, Warszawa [4] Piekarczuk A., Metoda projektowania szyb zespolonych, Świat Szkła 2008, 3. [5] Respondek Z., Model obliczeniowy interakcji obciążeń w szybach zespolonych, [w:] Budownictwo o zoptymalizowanym potencjale energetycznym, pod red. T. Bobki, J. Rajczyka, Wyd. Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa 2008, [6] Timoszenko S., Woinowsky-Krieger S., Teoria płyt i powłok, Arkady, Warszawa [7] PN-EN A1: Szkło w budownictwie - Podstawowe wyroby ze szkła sodowo-wapniowo-krzemianowego. Część 1: Definicje oraz ogólne właściwości fizyczne i mechaniczne. DISTRIBUTION OF ENVIRONMENTAL LOADS IN MULTI-CHAMBER INSULATING GLASS UNITS In the article impact of gas interaction in sealed chambers of an insulating glass unit on load transfer between glass panes has been analysed. On the basis of the law of ideal gases a calculation model for the determination of loads on elements of a multi-chamber insulating glass unit under the action of variable climatic factors (pressure, temperature) and surface loads has been proposed. An example of unitary surface load distribution on individual glass panes has been presented as a positive influence of chamber tightness on load transfer. Keywords: glass in building, insulating glass units, environmental loads

111 Budownictwo o Zoptymalizowanym Potencjale Energetycznym 1(19) 2017, s DOI: /bozpe Mariusz KOSIŃ Politechnika Częstochowska, Wydział Budownictwa Krzysztof PAWŁOWSKI Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy Wydział Budownictwa, Architektury i Inżynierii Środowiska NUMERYCZNA ANALIZA ZŁĄCZA PRZEGRODY ZEWNĘTRZNEJ WYKONANEJ W TECHNOLOGII SZKIELETOWEJ DREWNIANEJ I STALOWEJ W artykule przedstawiono analizę porównawczą mostka cieplnego połączenia ściany zewnętrznej ze stropem w przekroju z nadprożem okiennym. Rozważono dwa przypadki obejmujące szkieletową konstrukcję drewnianą oraz lekki szkielet stalowy. Na drodze symulacji komputerowej dokonano analizy cieplno-wilgotnościowej badanego złącza przegrody zewnętrznej. Obliczenia numeryczne wykonano w oparciu o MES przy użyciu programu ANSYS. Słowa kluczowe: lekkie konstrukcje szkieletowe, rozkład temperatur, parametry cieplno-wilgotnościowe, mostek liniowy, metoda elementów skończonych, symulacja numeryczna WPROWADZENIE Rozkład temperatur w przegrodach zewnętrznych, których warstwy są jednorodne w poszczególnych przekrojach poprzecznych ściany nie sprawia problemów obliczeniowych. Zastosowanie konstrukcji szkieletowej do budowy ściany wprowadza zaburzenia w rozkładzie temperatur i wymaga wnikliwej analizy [1]. Do określenia parametrów mostków cieplnych i rozkładu temperatur w takiej przegrodzie zasadne jest zastosowanie programów numerycznych bazujących na metodzie elementów skończonych (MES). W niniejszym artykule przedstawiono przykładowe analizy numeryczne dla przegród zewnętrznych wykonanych w technologii szkieletu drewnianego oraz lekkiego szkieletu stalowego, starając się uwydatnić wynikające z rozwiązań konstrukcyjnych różnice w parametrach fizykalnych obu analizowanych konstrukcji ścian. Celem opracowania było określenie i porównanie obliczeń parametrów cieplno- -wilgotnościowych złącza przegrody zewnętrznej. Zakres pracy obejmował wykonanie analizy numerycznej z wykorzystaniem MES w zakresie właściwości cieplno-wilgotnościowych zewnętrznych przegród w technologii szkieletu drewnianego oraz w technologii lekkiego szkieletu stalowego.

112 112 M. Kosiń, K. Pawłowski 1. CHARAKTERYSTYKA ANALIZOWANEGO MOSTKA CIEPLNEGO Charakterystykę materiałową dla analizowanych złączy budowlanych przedstawiono w tabeli 1. Ze względu na znikomy wpływ w obliczeniach dane odnośnie do folii paroprzepuszczalnej i paroizolacyjnej zostały pominięte. Natomiast na rysunkach 1 i 2 pokazano układ materiałowy rozpatrywanych złączy przegród zewnętrznych. Tabela 1. Współczynniki przewodzenia ciepła dla przyjętych materiałów Lp. Rodzaj materiału Grubość d [m] Współczynnik przewodzenia ciepła 1), 2) λ [W/(m K)] 1 Tynk cienkowarstwowy 0,005 0,7 2 Wełna mineralna 0,16/0,14 3) 0,035 3 Płyta cementowo-drzazgowa 0,012 0,215 4 Folia paroprzepuszczalna 5 Profil stalowy C140 / Profil drewniany KVH 0, ) / 0,16 5) 6 Folia paroizolacyjna 7 Płyta cementowo-drzazgowa 0,012 0,215 8 Płyta gipsowo-kartonowa 0,0125 0,25 9 Parkiet 0,02 0,16 10 Jastrych 0, Folia PE 12 Styropian EPS 0,05 0,04 13 Płyta cementowo-drzazgowa 0,02 0, Profil stalowy C140 0, Wełna mineralna 0,14 0, Płyta gipsowo-kartonowa 0,0125 0,25 17 Drewniana rama okienna 0,06 0,16 18 Szkło float 0, Argon 0,021 0,017 1) Wartości współczynników przewodzenia ciepła λ [W/(m K)] przyjęto wg [2, 3], 2) Wartość współczynnika przenikania ciepła okna U w = 1,3 [W/(m 2 K)]wg [4], 3) Grubość wełny mineralnej pomiędzy profilami stalowymi, 4) Współczynnik przewodzenia ciepła dla profilu stalowego, 5) Współczynnik przewodzenia ciepła dla profilu drewnianego Postępując zgodnie z poniższym algorytmem, na drodze symulacji komputerowej wyznaczono współczynniki przenikania ciepła U i [W/(m 2 K)] poszczególnych części złącza [3]:

113 Numeryczna analiza złącza przegrody zewnętrznej wykonanej w technologii szkieletowej 113 obliczenie wartości średniej składowej poziomej gęstości strumienia ciepła odpowiednio dla części złącza q i [W/m 2 ], obliczenie współczynnika przenikania ciepła poszczególnych części złącza na podstawie U i = q i /(t i t e ) [W/(m 2 K)] (1) Rys. 1. Model obliczeniowy analizowanego mostka cieplnego przegrody w technologii szkieletu drewnianego: 1 - tynk cienkowarstwowy gr. 0,005 m, 2 - wełna mineralna gr. 0,16 m (wełna mineralna występuje jako ocieplenie zewnętrzne, jak też wypełnienie między profilami), 3 - płyta cementowo - drzazgowa gr. 0,012 m, 4 - folia paroprzepuszczalna, 5 - profil drewniany KVH 0,14 m, 6 - folia paroizolacyjna, 7 - płyta cementowo-drzazgowa gr. 0,012 m, 8 - płyta g-k gr. 0,0125, 9 - parkiet gr. 0,02 m, 10 - jastrych gr. 0,05 m, 11 - folia PE, 12 - styropian EPS gr. 0,05 m, 13 - płyta cementowo - drzazgowa gr. 0,02 m, 14 - profil drewniany KVH gr. 0,14 m, 15 - wełna mineralna gr. 0,14 m, 16 - płyta g-k gr. 0,0125 m, 17 - drewniana rama okienna 0,06 m, 18 - szyba 0,006 m, 19 - argon 0,021 m, U 1 U 11 - współczynniki przenikania ciepła poszczególnych części złącza

114 114 M. Kosiń, K. Pawłowski Rys. 2. Model obliczeniowy analizowanego mostka cieplnego przegrody w technologii lekkiego szkieletu stalowego: 1 - tynk cienkowarstwowy gr. 0,005 m, 2 - wełna mineralna gr. 0,16 m, 3 - płyta cementowo - drzazgowa gr. 0,012 m, 4 - folia paroprzepuszczalna, 5 - profil stalowy C140 gr. 0,0015 m, 6 - folia paroizolacyjna, 7 - płyta cementowo-drzazgowa gr. 0,012 m, 8 - płyta g-k gr. 0,0125, 9 - parkiet gr. 0,02 m, 10 - jastrych gr. 0,05 m, 11 - folia PE, 12 - styropian EPS gr. 0,05 m, 13 - płyta cementowo-drzazgowa gr. 0,02 m, 14 - profil stalowy C140 gr. 0,0015 m, 15 - wełna mineralna gr. 0,14 m, 16 - płyta g-k gr. 0,0125 m, 17 - drewniana rama okienna 0,06 m, 18 - szyba 0,006 m, 19 - argon 0,021 m, U 1 U 12 - współczynniki przenikania ciepła poszczególnych części złącza 2. ZAŁOŻENIA OBLICZENIOWE Analizę numeryczną wykonano przy użyciu programu ANSYS opartego na metodzie elementów skończonych [5, 6]. Model złącza w konstrukcji drewnianej składał się z węzłów i elementów, natomiast w konstrukcji szkieletowej stalowej zawierał węzłów i elementów. Analiza przeprowadzona została przy założeniu jednorodności i izotropii materiałów, z jakich wykonane są poszczególne warstwy.

115 Numeryczna analiza złącza przegrody zewnętrznej wykonanej w technologii szkieletowej 115 Na podstawie [7] przyjęto wewnętrzną temperaturę t i = +20 C, natomiast wg [8] projektową temperaturę zewnętrzną t e = 20 C. Dla analizy MES przyjęto współczynniki przejmowania ciepła po stronie wewnętrznej dla przepływu: poziomego h i = 7,69 W/(m 2 K), pionowego w dół h i = 5,88 W/(m 2 K), pionowego w górę h i = 10 W/(m 2 K) i po stronie zewnętrznej h e = 25 W/(m 2 K), które stanowią odwrotność oporów R si, R se [(m 2 K)/W] [9, 10]. Do obliczeń minimalnej temperatury na wewnętrznej stronie przegrody t min [ C] oraz czynnika temperaturowego f Rsi [-] stosuje się warunki brzegowe wg [11], które wynoszą R si = 0,13 (m 2 K)/W dla ram i okien, a w pozostałych przypadkach R si = 0,25 (m 2 K)/W. 3. OBLICZENIE PARAMETRÓW MOSTKÓW CIEPLNO-WILGOTNOŚCIOWYCH ANALIZOWANYCH ZŁĄCZY PRZEGRÓD ZEWNĘTRZNYCH Dzięki analizie numerycznej uzyskano wartości poszukiwanych częściowych strumieni ciepła Φ [W] (tab. 2). W dalszej części pozwala to na obliczenie gałęziowych liniowych współczynników przenikania ciepła Ψ i [W/(m K)]. W przypadku analizowanych przegród całkowity linowy współczynnik przenikania ciepła wyliczono z równania [9] Ψ i = Ψ ig + Ψ id + Ψ io [W/(m K)] (2) gdzie: Ψ ig - liniowy współczynnik przenikania ciepła górnej gałęzi złącza [W/(m K)], Ψ id - liniowy współczynnik przenikania ciepła dolnej gałęzi złącza [W/(m K)], Ψ io - liniowy współczynnik przenikania ciepła stolarki okiennej [W/(m K)]. Gałęziowy liniowy współczynnik przenikania ciepła dla poszczególnych powierzchni złącza, tj. Ψ ig, Ψ id i Ψ io, został obliczony z zależności (3) po wymiarach wewnętrznych l i [m] Ψ in ( U l ) 2D = L n in i [W/(m K)] (3) gdzie: 2D L n - liniowy współczynnik sprzężenia cieplnego dla poszczególnych gałęzi złącza [W/(m K)], - długość mostka liniowego po stronie wewnętrznej [m]. l i Liniowy współczynnik sprzężenia L 2D [W/(m K)] między dwoma środowiskami został obliczony z zależności L 2D Φ = [W/(m K)] (4) l (t t ) i i Obliczone wartości parametrów cieplnych zestawiono w tabelach 3 i 4. e

116 116 M. Kosiń, K. Pawłowski Oprócz parametrów cieplnych określono charakterystykę wilgotnościową rozpatrywanych mostków cieplnych według [11]. W wyniku obliczeń numerycznych otrzymano wartości minimalne temperatury t min [ C] na wewnętrznej powierzchni przegrody mostka termicznego. Minimalna temperatura dla przegrody w konstrukcji szkieletowej drewnianej równa jest t min = 11,8 C (rys. 1), a dla konstrukcji lekkiego szkieletu stalowego wynosi t min = 12,1 C (rys. 2). Następnie określono czynniki temperaturowe f Rsi z zależności f Rsi,obl t = si,min t t gdzie: t si,min - temperatura minimalna na wewnętrznej powierzchni przegrody mostka termicznego [ C], t e - temperatura powietrza zewnętrznego [ C], - temperatura powietrza wewnętrznego [ C]. t i Wartość czynnika temperaturowego dla konstrukcji w szkielecie drewnianym wynosi f Rsi,obl = 1,295, natomiast dla przegrody w technologii lekkiego szkieletu stalowego f Rsi,obl = 1,303. Według [7], wymagana wartość krytyczna współczynnika temperaturowego f Rsi,kryt. wynosi 0,72. Jak widać w przypadku analizowanych złączy, wartości f Rsi,obl są większe od wartości krytycznej f Rsi,kryt, tak więc nie pojawia się ryzyko występowania kondensacji na wewnętrznej powierzchni przegrody. Tabela 2. Wartości strumienia ciepła analizowanych złączy - obliczenia własne i t e e Szkielet drewniany Szkielet stalowy Całkowity strumień ciepła Φ [W] przepływający przez złącze Strumień napływający na górną część mostka Φ ig [W] Strumień napływający na dolną część mostka Φ id [W] Strumień napływający na część okienną mostka Φ io [W] 29,36 30,227 4,584 5,079 7,331 7,906 17,445 17,242 Jak wynika z przeprowadzonych obliczeń parametrów fizykalnych, złącze ściany w konstrukcji lekkiego szkieletu stalowego generuje niższe straty ciepła od przegrody wykonanej w technologii szkieletu drewnianego. I tak np. wartość całkowitego liniowego współczynnika przenikania ciepła Ψ i [W/(m K)] dla konstrukcji szkieletowej stalowej jest ok. 7% mniejsza od złącza w konstrukcji drewnianej (tab. 3 i 4).

117 Numeryczna analiza złącza przegrody zewnętrznej wykonanej w technologii szkieletowej 117 Tabela 3. Charakterystyczne parametry cieplne analizowanego mostka cieplnego w konstrukcji szkieletowej drewnianej - obliczenia własne Lp Charakterystyczne parametry cieplne analizowanego złącza o konstrukcji drewnianej Liniowy współczynnik przenikania ciepła Ψ ig górnej gałęzi złącza Liniowy współczynnik przenikania ciepła Ψ id dolnej gałęzi złącza Liniowy współczynnik przenikania ciepła Ψ io części okiennej 1) U [W/(m 2 K)] 2) l i [m] Wartości 3) L 2D 4) Ψ i [W/(m K)] U 1 = 0,121 0,862 0,115 0,010 U 2 = 0,157 0,140 U 3 = 0,173 0,038 U 4 = 0,121 0,647 U 5 = 0,173 0,038 U 6 = 0,180 0,012 U 7 = 0,193 0,0125 U 8 = 0,195 0,026 U 9 = 1,815 0,005 U 10 = 1,835 0,077 U 11 = 0,704 0,327 0,183 0,090 0,436 0,049 4 Całkowity liniowy współczynnik przenikania ciepła całego złącza Ψ i 0,149 1) Współczynnik przenikania ciepła poszczególnych części złącza, 2) Długość poszczególnych części złącza, 3) Liniowy współczynnik sprzężenia cieplnego, 4) Liniowy współczynnik przenikania ciepła poszczególnych gałęzi Tabela 4. Charakterystyczne parametry cieplne analizowanego mostka cieplnego w konstrukcji szkieletowej stalowej - obliczenia własne Lp Charakterystyczne parametry cieplne analizowanego złącza o konstrukcji drewnianej Liniowy współczynnik przenikania ciepła Ψ ig górnej gałęzi złącza Liniowy współczynnik przenikania ciepła Ψ id dolnej gałęzi złącza Liniowy współczynnik przenikania ciepła Ψ io części okiennej 1) U n [W/(m 2 K)] 2) l in [m] Wartości 3) L n 2D 4) Ψ in [W/(m K)] U 1 = 0,139 0,862 0,127 0,007 U 2 = 0,114 0,104 U 3 = 0,116 0,018 U 4 = 0,139 0,038 U 5 = 0,139 0,606 U 6 = 0,139 0,038 U 7 = 0,180 0,012 U 8 = 0,193 0,0125 U 9 = 0,195 0,026 U 10 = 1,815 0,005 U 11 = 1,835 0,077 U 11 = 0,704 0,327 0,198 0,087 0,431 0,044 4 Całkowity liniowy współczynnik przenikania ciepła całego złącza Ψ i 0,138 1) Współczynnik przenikania ciepła poszczególnych części złącza, 2) Długość poszczególnych części złącza, 3) Liniowy współczynnik sprzężenia cieplnego, 4) Liniowy współczynnik przenikania ciepła poszczególnych gałęzi

118 118 M. Kosiń, K. Pawłowski 4. WYNIKI ANALIZY NUMERYCZNEJ Graficzny rozkład temperatury pozwala między innymi na rozpoznanie w przegrodzie słabych miejsc pod względem utraty ciepła i poprawienie rozwiązań technologiczno-konstrukcyjnych. Dodatkowo dzięki wyznaczonym rozkładom temperatury można ocenić ryzyko powstania kondensacji na wewnętrznej stronie przegrody [9]. Porównując rozkład temperatur (rys. 3), można zaobserwować istotne różnice w ich rozkładzie między analizowanymi konstrukcjami w miejscu nadproża okiennego i połączenia ściany ze stropem. Konsekwencją występowania mostków cieplnych jest powiększenie dodatkowych strat ciepła z budynku, co skutkuje wzrostem kosztów eksploatacyjnych. Konstrukcja drewniana Konstrukcja stalowa Rozkład temperatur - widok 2D Rozkład temperatur - widok 3D

119 Numeryczna analiza złącza przegrody zewnętrznej wykonanej w technologii szkieletowej 119 Wektorowy rozkład gęstości strumienia ciepła Rozkład temperatur - izotermy Rys. 3. Wyniki obliczeń numerycznych analizowanych złączy przegród zewnętrznych PODSUMOWANIE Numeryczne obliczenia dostarczają zarówno informacji na temat wartości parametrów fizykalnych, jak i graficznie przedstawiają rozkład tych parametrów w analizowanej przegrodzie. Dzięki temu na etapie projektowym można dokonać rozpoznania słabych miejsc w przegrodzie pod względem utraty ciepła, co w konsekwencji daje możliwość poprawy przyjętych rozwiązań konstrukcyjno- -materiałowych. Z przeprowadzonych obliczeń wynika, że konstrukcja analizowanego złącza w technologii lekkiego szkieletu stalowego wykazuje korzystniejsze parametry cieplno-wilgotnościowe od konstrukcji drewnianej. Całkowity liniowy współczynnik przenikania ciepła całego złącza Ψ i [W/(m K)] dla konstrukcji w technologii lekkiego szkieletu stalowego jest niższy od konstrukcji w technologii drewnianej o ok. 7%. Również czynnik temperaturowy f Rsi,obl analizowanego złącza w techno-