BUDOWNICTWO O ZOPTYMALIZOWANYM POTENCJALE ENERGETYCZNYM CONSTRUCTION OF OPTIMIZED ENERGY POTENTIAL

BUDOWNICTWO O ZOPTYMALIZOWANYM POTENCJALE ENERGETYCZNYM CONSTRUCTION OF OPTIMIZED ENERGY POTENTIAL 2(20) 2017

XIV Międzynarodowa Konferencja Naukowo-Techniczna pt. Budownictwo o Zoptymalizowanym Potencjale Energetycznym - Materiały i Technologie. Zadanie finansowane w ramach umowy 829/P-DUN/2017 ze środków Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę

POLITECHNIKA CZĘSTOCHOWSKA CZESTOCHOWA UNIVERSITY OF TECHNOLOGY BUDOWNICTWO O ZOPTYMALIZOWANYM POTENCJALE ENERGETYCZNYM CONSTRUCTION OF OPTIMIZED ENERGY POTENTIAL 2(20) 2017 Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej CZĘSTOCHOWA 2017

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 e-mail: 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), prof. dr hab. inż. Givi Gardashvili (Gruzja), dr inż. Robert Grygo (Polska), dr hab. inż. arch. Krystyna Januszkiewicz prof. nadzw. (Polska), dr inż. Anna Kaczmarek (Polska), dr Justyna Kleszcz (Polska), dr hab.inż. Andrzej Kołodziej prof. nadzw. (Polska), dr hab. inż. Marta Kosior-Kazberuk prof. nadzw. (Polska), doc. dr inż. Peter Kotes (Słowacja), prof. dr hab. inż. Lech Lichołai (Polska), dr hab. inż. Maciej Major prof. nadzw. (Polska), dr Andrzej Marynowicz (Polska), prof. dr hab. inż. Victor Mileykovskyi (Ukraina), prof. dr hab. inż. Jerzy Piotrowski (Polska), prof. dr hab. inż. Waldemar Pyda (Polska), dr inż. Marek Ramczyk (Polska), dr inż. Aleksandra Repelewicz (Polska), dr inż. Zbigniew Respondek (Polska), dr hab.inż. Jacek Selejdak prof. nadzw. (Polska), dr inż. Monika Siewczyńska (Polska), prof. dr hab. inż. Aleksy Soloviev (Rosja), dr hab. inż. arch. Bogusław Szuba prof. nadzw. (Polska), dr inż. Adam Ujma (Polska), prof. dr hab. inż. Nina Umniakova (Rosja), dr hab. inż. Agata Zdyb prof. nadzw. Polska, prof. dr hab. inż. Vasyl Zhelykh (Ukraina) Wersją pierwotną czasopisma jest wersja drukowana Czasopismo jest indeksowane w bazach: BazTech http://baztech.icm.edu.pl, Index Copernicus http://www.indexcopernicus.com

SPIS TREŚCI Krzysztof Pawłowski, Marek Ramczyk, Joanna Ciuba Kształtowanie parametrów fizykalnych złączy stropodachów w świetle nowych wymagań cieplnych... 9 Marta Gosz Magazynowanie energii cieplnej dla potrzeb budynku - przegląd rozwiązań i sposobów zintegrowania ich z bryłą obiektu... 15 Beata Wilk-Słomka, Janusz Belok Wpływ parametrów optyczno-energetycznych oszklenia na komfort cieplny pomieszczeń... 23 Sylwia Brelak, Ryszard Dachowski Wielokryterialna analiza porównawcza wyrobów z autoklawizowanego betonu komórkowego modyfikowanego materiałami recyklingowymi... 29 Grygorii Gasii, Oleg Zabolotskyi Constructive concept of composite structures for construction including geological specifics... 37 Krystyna Januszkiewicz The health protective and energy saving urban environment at the time of climate change... 43 I.L. Shubin, D.V. Karpov, V.I. Rimshin, A.G. Sokolova Knowledge intensive technologies for advanced training of specialists in construction and housing and utilities infrastructure... 51 Jacek Nawrot Wpływ wyboru konstrukcji stropu w szkieletowych budynkach stalowych na poziom oddziaływania na środowisko... 57 Mohamed Ahmad Wykorzystanie odpadowych popiołów lotnych do wytwarzania betonu jako element budownictwa zrównoważonego... 67 Klaudia Urbańska, Arkadiusz Dyjakon Wpływ rodzaju stolarki okiennej na opłacalność inwestycji w budownictwie energooszczędnym... 75 Vasyl Zhelykh, Volodymyr Shepitchak, Nadiia Spodyniuk, Bogdan Gulai Modeling of the process of heat regime formation in the irradiation area of infrared heater... 83 Anna Gumińska Realizacje współczesnego budownictwa w Europie w aspekcie energooszczędności i wykorzystania odnawialnych źródeł energii... 91

Givi Gavardashvili, Lubov Hertman A new drainage system to divert the ground water for the safety of the foundation of high-rise buildings... 101 P. Baljyan, H. Tokmajyan, V. Hayrapetyan, G. Zaqaryan The results of a mud and rock flow controlling new facility design study... 109 Arkadiusz Gużda, Norbert Szmolke Doświadczenia eksploatacyjne instalacji z ogniwami PV... 115 Леван Итриашвили, Инга Иремашвили, Адам Уйма Устройство зелёной кровли на перекрытиях с малой несущей способностью... 121 Алексей Верховский, Нина Умнякова Особенности применения наружных ограждающих конструкций в холодных климатических условиях... 129

CONTENTS Krzysztof Pawłowski, Marek Ramczyk, Joanna Ciuba Formation of physical parameters of flat roofs joints in view of new thermal requirements... 9 Marta Gosz Thermal energy storing for the needs of building - a review of solutions and method to integrate them with the object s structure... 15 Beata Wilk-Słomka, Janusz Belok Influence of optical and thermo insulating parameters of glazing on thermal comfort in occupied spaces... 23 Sylwia Brelak, Ryszard Dachowski Multicriteria comparative analysis of autoclaved aerated concrete product modified materials recycled waste... 29 Grygorii Gasii, Oleg Zabolotskyi Constructive concept of composite structures for construction including geological specifics... 37 Krystyna Januszkiewicz The health protective and energy saving urban environment at the time of climate change... 43 I.L. Shubin, D.V. Karpov, V.I. Rimshin, A.G. Sokolova Knowledge intensive technologies for advanced training of specialists in construction and housing and utilities infrastructure... 51 Jacek Nawrot The influence of the choice of ceiling construction on the level of environmental impact... 57 Mohamed Ahmad Use of fly ash for production of concrete as an element of sustainable construction... 67 Klaudia Urbańska, Arkadiusz Dyjakon Influence of the window type on the profitability of investments in energy-efficient building construction... 75 Vasyl Zhelykh, Volodymyr Shepitchak, Nadiia Spodyniuk, Bogdan Gulai Modeling of the process of heat regime formation in the irradiation area of infrared heater... 83 Anna Gumińska Contemporary construction projects in Europe in terms of energy saving and the use of renewable energy sources... 91

Givi Gavardashvili, Lubov Hertman A new drainage system to divert the ground water for the safety of the foundation of high-rise buildings... 101 P. Baljyan, H. Tokmajyan, V. Hayrapetyan, G. Zaqaryan The results of a mud and rock flow controlling new facility design study... 109 Arkadiusz Gużda, Norbert Szmolke Exploitation experiments with respect to installations with PV cells... 115 Леван Итриашвили, Инга Иремашвили, Адам Уйма Device green covering of roofs with small carried capacity... 121 Алексей Верховский, Нина Умнякова Application features external curtain walls in cold climate conditions... 129

Budownictwo o Zoptymalizowanym Potencjale Energetycznym 2(20) 2017, s. 9-14 DOI: 10.17512/bozpe.2017.2.01 Krzysztof PAWŁOWSKI, Marek RAMCZYK, Joanna CIUBA Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy Wydział Budownictwa, Architektury i Inżynierii Środowiska KSZTAŁTOWANIE PARAMETRÓW FIZYKALNYCH ZŁĄCZY STROPODACHÓW W ŚWIETLE NOWYCH WYMAGAŃ CIEPLNYCH Poprawne kształtowanie układów materiałowych stropodachów i ich złączy wymaga określenia parametrów fizykalnych w świetle nowych wymagań cieplnych. W pracy przedstawiono aktualne przepisy prawne w zakresie ochrony cieplno- -wilgotnościowej przegród zewnętrznych i ich złączy, charakterystykę rozwiązań konstrukcyjno-materiałowych stropodachów i ich złączy oraz wyniki obliczeń parametrów fizykalnych złączy stropodachów przy zastosowaniu programu komputerowego. Słowa kluczowe: złącza stropodachów, wymagania cieplne, parametry fizykalne WPROWADZENIE Zmiany w Rozporządzeniu [1] zakładają stopniowe zaostrzenie warunków dotyczących wartości współczynnika przenikania ciepła U c(max) [W/(m 2 K)] oraz wskaźnika zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną EP [kwh/(m 2 rok)]. Projektowanie przegród zewnętrznych i ich złączy w aspekcie cieplno-wilgotnościowym powinno opierać się na szczegółowych obliczeniach i analizach w zakresie spełnienia kryterium cieplnego: U c U c(max) oraz kryterium wilgotnościowego (ryzyko rozwoju pleśni i grzybów pleśniowych): f Rsi f Rsi(kryt.). W celu ograniczenia dodatkowych strat ciepła wynikających z występowania mostków cieplnych (złączy budowlanych) należy określić także wartości liniowego współczynnika przenikania ciepła Ψ [W/(m K)]. Określenie parametrów fizykalnych złączy stropodachów wymaga zastosowania profesjonalnego programu komputerowego do symulacji przepływu ciepła. 1. PRZYKŁADOWE ROZWIĄZANIA MATERIAŁOWE STROPODACHÓW I ICH ZŁĄCZY Stropodach jest to przegroda zewnętrzna stanowiąca przekrycie budynku, spełniające jednocześnie funkcję stropu, jak również dachu. Stropodachy przenoszą obciążenia od śniegu i wiatru oraz zabezpieczają wnętrze budynku przed opadami atmosferycznymi i wahaniami temperatury [2]. Stropodachy stosowane są przy

10 K. Pawłowski, M. Ramczyk, J. Ciuba przekryciach o kącie nachylenia od 0 do 15. Poprawne wykonanie stropodachu ma wpływ na wytrzymałość konstrukcji, bezpieczeństwo oraz komfort życia użytkowników budynku. Rodzaj stropodachu zależy od rodzaju konstrukcji, sposobu użytkowania oraz warunków zewnętrznych. Pod względem rodzaju konstrukcji i układu warstw rozróżniamy stropodachy pełne, odpowietrzane i wentylowane (rys. 1). a) stropodach pełny b) stropodach o odwróconym układzie warstw c) stropodach odpowietrzany d) stropodach wentylowany Rys. 1. Przykładowe rozwiązania materiałowe stropodachów [3] W aspekcie cieplno-wilgotnościowym istotne znaczenie ma odpowiedni dobór rodzaju i grubości materiału termoizolacyjnego (m.in. styropian, wełna mineralna, płyty z pianki poliuretanowej PIR lub PUR). W dalszej części pracy przedstawiono wyniki obliczeń parametrów fizykalnych złączy stropodachów pełnych przy zastosowaniu programu komputerowego TRISCO. 2. PARAMETRY FIZYKALNE ZŁĄCZY STROPODACHÓW PEŁNYCH Kształtowanie układów materiałowych elementów budynków (przegród zewnętrznych i ich złączy) obejmuje analizę szeregu parametrów cieplno-wilgotnościowych. W ramach pracy określono parametry fizykalne wybranych złączy budowlanych (połączenia stropodachu pełnego ze ścianą zewnętrzną) z ociepleniem w postaci płyty z pianki poliuretanowej PIR przy zastosowaniu programu komputerowego

Kształtowanie parametrów fizykalnych złączy stropodachów w świetle nowych wymagań cieplnych 11 TRISCO, zgodnie z zasadami opisanymi w PN-EN ISO 10211:2008 [4] oraz pracy [5]. Charakterystykę materiałową analizowanych złączy przedstawiono na rysunkach 2 i 3. Rys. 2. Charakterystyka materiałowa połączenia stropodachu pełnego ze ścianą zewnętrzną dwuwarstwową [3] Rys. 3. Charakterystyka materiałowa połączenia stropodachu pełnego ze ścianą zewnętrzną trójwarstwową [3] Wykonanie szczegółowych obliczeń przy zastosowaniu programu komputerowego pozwala na uzyskanie miarodajnych wyników parametrów fizykalnych. Ich wartości zależą od zastosowanego materiału budowlanego (konstrukcyjnego),

12 K. Pawłowski, M. Ramczyk, J. Ciuba rodzaju i grubości izolacji cieplnej oraz ukształtowania struktury materiałowej analizowanego złącza. Posługiwanie się wartościami przybliżonymi i orientacyjnymi, np. na podstawie kart katalogowych R1 R12 (dotyczących stropodachów) wg normy PN-EN ISO 14683:2008 [6], staje się nieuzasadnione, ponieważ nie uwzględniają zmiany układów materiałowych oraz rodzaju i grubości izolacji cieplnej. W celu uniknięcia błędów wynikających z przeszacowania wielkości strat ciepła zaproponowano stosowanie wartości gałęziowych współczynników przenikania ciepła. W PN-EN12831: 2006 [7] zauważa się potrzebę ich podziału przy obliczeniach strat ciepła metodą pomieszczenie po pomieszczeniu i proponuje się aby: całkowite wartości Ψ i obliczone według EN ISO 10211-1 zostały podzielone na dwa. Takie postępowanie w wielu przypadkach jest podstawowym błędem. Aby poprawnie wykonać obliczenia cieplne odniesione do budynku, np. poszczególnych ścian zewnętrznych, należy dokonać podziału wartości współczynnika Ψ na odpowiednie części złącza uczestniczące w stratach ciepła. W pracy określono gałęziowe współczynniki przenikania ciepła w odniesieniu do górnej części złącza (stropodachu) oraz dolnej części złącza (ściany zewnętrznej). Wyniki obliczeń parametrów fizykalnych złączy stropodachów zestawiono w tabeli 1. Tabela 1. Wyniki obliczeń parametrów fizykalnych złączy stropodachu pełnego ze ścianą zewnętrzną [3] Wariant U c(s.) /U c(śc.) W/(m 2 K)] Φ [W] Ψ i(s.) [W/(m K)] Ψ i(śc.) [W/(m K)] Ψ i [W/(m K)] θ si,min [ C] I a(10) 0,18/0,22 23,31 0,10 0,04 0,14 14,82 0,87 I b(12) 0,15/0,19 21,07 0,10 0,02 0,12 14,79 0,87 I c(15) 0,13/0,15 18,77 0,08 0,03 0,11 16,05 0,90 II a(10) 0,18/0,22 25,93 0,10 0,04 0,14 14,88 0,87 II b(12) 0,15/0,19 23,39 0,09 0,03 0,12 15,45 0,89 II c(15) 0,13/0,15 20,65 0,08 0,03 0,11 15,95 0,90 U c(s.) - współczynnik przenikania ciepła stropodachu, U c(śc.) - współczynnik przenikania ciepła ściany zewnętrznej, Φ - wielkość strumienia cieplnego przepływającego przez złącze, Ψ i(s.) - liniowy (gałęziowy) współczynnik przenikania ciepła w odniesieniu do górnej części złącza (stropodachu), określony wg wymiarów wewnętrznych, Ψ i(śc.) - liniowy (gałęziowy) współczynnik przenikania ciepła w odniesieniu do dolnej części złącza (ściany zewnętrznej), określony wg wymiarów wewnętrznych, θ si,min - temperatura minimalna na wewnętrznej powierzchni przegrody w miejscu mostka cieplnego, f Rsi - czynnik temperaturowy, określany na podstawie temperatury θ si,min f Rsi [ ] Jakość cieplna elementów budynków jest określana także w postaci czynnika temperaturowego złączy w przegrodach budynku dla potwierdzenia wymagania: f Rsi f Rsi(kryt). Sprawdzenia wymagają wszystkie złącza (w zależności od ich rodzaju), poprzez obliczenie w układzie dwu- lub trójwymiarowym i stanowią o istocie reali-

Kształtowanie parametrów fizykalnych złączy stropodachów w świetle nowych wymagań cieplnych 13 zacji warunku niedopuszczenia do kondensacji powierzchniowej na przegrodach osłaniających budynek. Określenie czynnika temperaturowego f Rsi [ ] w analizowanym złączu przegród zewnętrznych wymaga określenia temperatury minimalnej na wewnętrznej powierzchni przegrody oraz w miejscu mostka cieplnego przy założeniu odpowiednich temperatur powietrza wewnętrznego (θ i ) i zewnętrznego (θ e ) i dla mostków cieplnych zastosowania przestrzennego modelu przegrody wg PN-EN ISO 10211:2008 [4]. Natomiast wymaganą wartość granicznego czynnika temperaturowego f Rsi(kryt) ustala się w funkcji temperatury t i oraz zawartości wilgoci φ i pomieszczenia, którego dotyczy. Wymienione parametry (temperatura wewnętrzna oraz zawartość wilgoci w pomieszczeniu) przesądzają o wartości czynnika temperaturowego f Rsi(kryt), decydującej granicy w ocenie poprawności rozwiązań konstrukcyjnych złącza. W Rozporządzeniu [1] dopuszczono (bez obliczeń dla: φ i = 0,50 (50%) i t i = 20 C) przyjmowanie wartości czynnika f Rsi(kryt) = = 0,72, co praktycznie oznacza rezygnację z ustalania klas wilgotności pomieszczeń zaopatrzonych w wentylację grawitacyjną. PODSUMOWANIE, WNIOSKI Analiza parametrów fizykalnych przegród zewnętrznych i ich złączy ma istotne znaczenie w zakresie poprawnego kształtowania układów materiałowych i geometrii projektowanego budynku o niskim zużyciu energii. Kompleksowa ocena cieplno-wilgotnościowa powinna dotyczyć nie tylko pełnej przegrody zewnętrznej, ale także jej złączy. Natomiast podane w Rozporządzeniu [1] wartości graniczne współczynnika przenikania ciepła U c(max). [W/(m 2 K)] (dla stropodachów U c(max) = 0,18 w okresie 2017-2020, a po 2021 r. U c(max) = 0,15 oraz dla ścian zewnętrznych U c(max) = 0,23 w okresie 2017-2020, a po 2021 r. U c(max) = = 0,20) nie uwzględniają przepływów ciepła w polu (2D) i (3D), co powoduje rzeczywiste dopuszczenie większych strat ciepła przez przegrody budowlane i ich złącza. Połączenie stropodachu ze ścianą zewnętrzną generuje dodatkowe straty ciepła w postaci liniowego współczynnika przenikania ciepła Ψ [W/(m K)] oraz obniżenie temperatury na wewnętrznej powierzchni przegrody θ si,min (tab. 1). Zasadne staje się więc określenie wartości granicznych liniowego współczynnika przenikania ciepła Ψ max w Rozporządzeniu [1] na poziomie 0,05 0,10 W/(m K) w zależności od specyfiki analizowanego złącza. Natomiast, analizując złącza ścian zewnętrznych (tab. 1), można stwierdzić, że nie występuje ryzyko kondensacji powierzchniowej pary wodnej, ponieważ obliczone wartości czynników temperaturowych f Rsi [ ] są większe od wartości granicznej czynnika temperaturowego f Rsi, (kryt.) [ ]. Wartość graniczna (krytyczna) czynnika temperaturowego, przy uwzględnieniu parametrów powietrza wewnętrznego i zewnętrznego, analizowanych wariantów obliczeniowych wynosi f Rsi,(kryt.) = 0,778.

14 K. Pawłowski, M. Ramczyk, J. Ciuba Istnieje potrzeba prowadzenia dalszych badań i obliczeń zarówno dla złączy dwuwymiarowych, jak i trójwymiarowych (przestrzennych), ponieważ rozwój technologii produkcji materiałów rozwija się, wprowadzając nowe produkty na rynek budowlany. LITERATURA [1] Rozporządzenie Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowania, DzU z 2013 r., poz. 926. [2] Markiewicz P., Budownictwo ogólne dla architektów Wydawnictwo ARCHI-PLUS, Kraków, 2007. [3] Ciuba J., Studium projektowe złączy stropodachów pełnych w świetle nowych wymagań cieplnych, Praca dyplomowa magisterska napisana pod kierunkiem dr. inż. K. Pawłowskiego, UTP, Bydgoszcz 2016. [4] PN-EN ISO 10211:2008 Mostki cieplne w budynkach. Strumienie ciepła i temperatury powierzchni. Obliczenia szczegółowe. [5] Pawłowski K., Projektowanie przegród zewnętrznych w świetle aktualnych warunków technicznych dotyczących budynków. Obliczenia cieplno-wilgotnościowe przegród zewnętrznych i ich złączy, Wydawnictwo Grupa Medium, Warszawa 2016. [6] PN-EN ISO 14683:2008 Mostki cieplne w budynkach. Liniowy współczynnik przenikania ciepła. Metody uproszczone i wartości orientacyjne. [7] PN-EN12831: 2006 Instalacje grzewcze w budynkach - Metoda obliczania obciążenia cieplnego. FORMATION OF PHYSICAL PARAMETERS OF FLAT ROOFS JOINTS IN VIEW OF NEW THERMAL REQUIREMENTS The correct formation of materials flat roofs systems and their joints, requires the determination of physical parameters in view of new thermal requirements. The paper presents current regulations for the heat-humidity protection of external walls and their joints, characteristics of construction-material flat roofs solutions and their joints, as well as the calculation results of joints flat roofs physical parameters using computer program. Keywords: flat roofs joints, thermal requirements, physical parameters

Budownictwo o Zoptymalizowanym Potencjale Energetycznym 2(20) 2017, s. 15-22 DOI: 10.17512/bozpe.2017.2.02 Marta GOSZ Politechnika Gdańska, Wydział Oceanotechniki i Okrętownictwa MAGAZYNOWANIE ENERGII CIEPLNEJ DLA POTRZEB BUDYNKU - PRZEGLĄD ROZWIĄZAŃ I SPOSOBÓW ZINTEGROWANIA ICH Z BRYŁĄ OBIEKTU Magazynowanie energii cieplnej pozyskanej ze źródeł odnawialnych to obiecująca technologia mająca poprawić wydajność energetyczną budynków. Jest to obecnie popularny temat wielu badań dążących do doboru optymalnych parametrów magazynu, takich jak jego rozmiar, rodzaj wypełnienia, lokalizacja i sposób instalacji w budynku. Każdy z tych czynników ma istotny wpływ na zmniejszenie zapotrzebowania energetycznego zarówno w sektorze budownictwa prywatnego, jak i komercyjnego. Niniejsza praca stanowi przegląd istniejących systemów magazynowania ciepła oraz rozwiązań, za pomocą których wkomponowane zostały one w bryłę budynku. Słowa kluczowe: magazynowanie energii cieplnej, materiały zmiennofazowe, rdzeń budynku, fasada WPROWADZENIE Magazynowanie energii to szansa wykorzystania potencjału odnawialnych źródeł ciepła nie tylko w okresie, gdy generują one największy przyrost energii cieplnej, ale także poza tym sezonem. Magazyny to konstrukcje pozwalające na akumulację ciepła lub chłodu. Wyróżniamy dwa typy - krótkoterminowe oraz długoterminowe. Wykorzystując do ich ładowania energię pochodzącą ze źródeł odnawianych, można całkowicie uniezależnić się od zewnętrznych dostawców mediów. Taka technologia przynosi więc nie tylko spore korzyści dla środowiska, ale pomaga też użytkownikom budynków zmniejszyć koszty eksploatacyjne. Wszystko to dzięki możliwości wykorzystania zgromadzonej energii cieplnej w dowolnym czasie i w ilości odpowiadającej indywidualnemu zapotrzebowaniu. Głównym czynnikiem determinującym rozwój tej technologii są wymagania stawiane przez Unię Europejską, które dążą do zmniejszenia emisyjności gazów cieplarnianych do 2050 roku o 80 95% [1]. Z tego powodu narzucane są regulacje dotyczące poprawy termoizolacyjności i wydajności energetycznej powstających obiektów. Magazyny ciepła ze względu na wypełnienie podzielić można na jednofazowe, zmiennofazowe i termochemiczne. Magazyny z wypełnieniem jednofazowym należą do najpopularniejszych i najbardziej powszechnych. Ich wkład najczęściej stanowi woda, ale mogą to być także olej, powietrze, cegła, beton itp., czyli

16 M. Gosz wszystkie nośniki, w których energia magazynowana jest dzięki zmianie temperatury, a więc energii kinetycznej cząstek. W materiały o zmiennych fazach (PCM - ang. Phase Change Materials) ciepło przenoszone jest podczas przejścia fazowego spowodowanego nawet niewielką różnicą temperatur. Energia uwalniana jest podczas topnienia materiałów, zamkniętych najczęściej w mikrokapsułkach, a gromadzona ponownie, gdy dochodzi do ich krzepnięcia. By proces mógł samoczynnie się powtarzać, należy utrzymywać stałą temperaturę topnienia, czyli przemiany fazowej. W zależności od pochodzenia materiały te dzieli się na organiczne (najczęściej to pochodne parafiny), nieorganiczne (np. sole hydratyzowane), metale oraz eutektyki (które są mieszaninami dwóch lub więcej faz) [2]. Wypełnienie termochemiczne magazynów charakteryzuje się odwracalnymi wysokotemperaturowymi procesami chemicznymi zachodzącymi wewnątrz zbiornika. Te procesy to sorpcja i desorpcja. Para po podgrzaniu ulega dysocjacji i oddaje ciepło, gdy ponownie może wziąć udział w reakcji. Ciepło przechowywane jest tak długo, aż możliwe będzie wzięcie udziału w reakcji, która je uwolni. Gęstość energii podczas przemiany chemicznej jest relatywnie wyższa niż w przypadku przemiany fizycznej (zmiana fazy), dlatego tego typu magazyny mogą mieć mniejsze rozmiary niż dla wypełnień jedno- i zmiennofazowych przy zachowaniu tej samej efektywności. Wybór odpowiedniego wypełnienia magazynu i jego wielkości jest kwestią kluczową w projektowaniu tego typu technologii. Nie mniej istotną sprawą jest także lokalizacja systemu magazynowania w konstrukcji obiektu. Celem niniejszej pracy jest dokonanie przeglądu zastosowanych rozwiązań magazynowania energii cieplnej pod kątem sposobów zintegrowania ich z bryłą budynku. INTEGRACJA SYSTEMÓW MAGAZYNOWANIA CIEPŁA Z BUDYNKIEM By osiągnąć narzucane regulacjami prawnymi parametry energooszczędności obiektów budowlanych, niejednokrotnie trzeba łączyć ze sobą kilka technologii pozyskiwania i przechowywania energii cieplnej. Integrację takich systemów należy przewidywać na etapie projektowania, ponieważ nie każde rozwiązanie można zainstalować w istniejącym budynku. Pojemność cieplną budynków można zwiększyć poprzez poprawę termoizolacyjności przegród lub podłączenie jednostek pozyskujących zieloną energię (kolektory słoneczne, ogniwa fotowoltaiczne, przydomowe elektrownie wiatrowe). Inna możliwość to wkomponowanie w układ budynku jednostki magazynującej energię cieplną. Może to być np. zbiornik zainstalowany w pomieszczeniu technicznym bądź zakopany pod ziemią. Takie naczynia gromadzące ciepło można instalować także w elementach konstrukcyjnych jako alternatywa dla konwencjonalnych rozwiązań. Rysunek 1 przedstawia różne sposoby rozmieszczenia magazynów cieplnych w obiekcie: w przegrodach pionowych i poziomych budynku (rdzeń konstrukcji), jako część fasady, w elementach osłonowych wewnętrznych (np. w powieszonym suficie) oraz jako zbiorniki w środku budynku lub pod ziemią.

Magazynowanie energii cieplnej dla potrzeb budynku - przegląd rozwiązań i sposobów 17 Rys. 1. Sposoby instalacji magazynu energii cieplnej w budynku; na podstawie [3] Magazyn ciepła zintegrowany z rdzeniem budynku W doborze materiałów, z których wykonane są przegrody, istotnym czynnikiem jest ich akumulacyjność cieplna. Materiałami o stosunkowo dobrej pojemności cieplnej wykorzystywanymi do budowy przegród są wyroby ceramiczne lub betonowe. Masę termiczną tych budulców można zwiększyć, instalując w przegrodach dodatkowe materiały tworzące barierę cieplną. Do tego celu bardzo dobrze nadają się materiały zmiennofazowe, które dzięki niewielkim gabarytom z powodzeniem można umieścić w przegrodach, takich jak ściana, strop czy podłoga. Jak pokazuje rysunek 2, istnieje możliwość ulokowania ich w specjalnych kieszeniach, a następnie wbudowywania na stałe w elementy konstrukcyjne. To rozwiązanie umożliwia nie tylko dogrzewanie budynku, ale także chłodzenie, gdy zaistnieje taka potrzeba. Rys. 2. Pustaki ceramiczne z wkładem z materiałów zmiennofazowych [4] Jak wspomniano na początku artykułu, mikrokapsułki wypełnione materiałem o zmiennych fazach ulegają naprzemiennemu topnieniu (z jednoczesnym oddawaniem energii) i krzepnięciu (z kumulowaniem tej energii). Procesy te mogą zachodzić samoistnie pod wpływem działania promieni słonecznych. Jednak dla osiągnięcia najbardziej efektywnych wyników oraz sprawnego działania systemu również w okresie zimowym wspomaga się je instalacją z paneli słonecznych lub pompy ciepła (rys. 3).

18 M. Gosz Rys. 3. Zwiększenie pojemności cieplnej podłogi dzięki PCM: a) wykorzystanie instalacji kolektorów słonecznych, b) wykorzystanie pompy ciepła [5] Bardziej konwencjonalne rozwiązanie, które także zostało zintegrowane z przegrodami budynku zastosowano między innymi w eksperymentalnej konstrukcji naukowców z Politechniki Gdańskiej. Testowy budynek powstał w Warznie na Kaszubach, posiada wbudowany system rurek polipropylenowych wypełnionych wodą. Rozmieszczone zostały w ścianach i na dachu, gdzie stanowią barierę termiczną oraz pod ziemią, skąd w okresie zimowym pobierana będzie energia do pozostałej części instalacji [6]. Założenie jest takie, by przez cały rok temperatura ścian utrzymywana była na równym poziomie, czyli 19 20 C. W rozwiązaniu wyeliminowano elementy o krótkiej żywotności (np. pompa ciepła, rekuperator), a zastosowano zaawansowany system sterowania i pompkę obiegową. Powyższą koncepcję prezentuje rysunek 4. W efekcie zapotrzebowanie energetyczne budynku ma zmniejszyć się kilkunastokrotnie, co przełoży się na spore oszczędności. Rys. 4. System rurek wypełnionych wodą jako bariera termiczna ścian i dachu [6] Magazyn ciepła w panelach sufitu podwieszonego Dodatkowe ciepło kumulowane może być także pod elementami konstrukcyjnymi budynku, czyli w przestrzeni sufitu podwieszanego. Takie rozwiązanie jest

Magazynowanie energii cieplnej dla potrzeb budynku - przegląd rozwiązań i sposobów 19 alternatywą dla istniejących budynków i pozwala uniknąć dużych nakładów finansowych i czasowych związanych z renowacją obiektów. Panel sufitowy zaproponowany przez Koschenza i Lehmanna [7] to płyta gipsowa z wypełnieniem kapsułkami PCM. W tym przypadku rozwiązanie przewidziane zostało dla biurowca z przeszkloną elewacją na potrzeby chłodzenia. Wewnątrz każdej z płyt zainstalowano system rurek kapilarnych wypełnionych wodą, które miały dostarczać chłód do kapsułek z materiałem zmiennofazowym i utrzymywać komfortową temperaturę w pomieszczeniach. Na podstawie doświadczeń ustalono, że do spełnienia założeń grubość płyty powinna mieć co najmniej 5 cm, przy czym w 25% jej wypełnienie powinny stanowić materiały zmiennofazowe. Schemat zaproponowanego rozwiązania obrazuje rysunek 5. Podobną technologię z powodzeniem zastosować można także jako pokrycie ścian, zarówno na potrzeby grzania, jak i chłodzenia. Rys. 5. Aktywny termicznie sufit podwieszany z wypełnieniem PCM: a) schemat, b) sposób instalacji [7] Magazynowanie ciepła z wykorzystaniem fasady Sposobem kumulowania energii słonecznej może być także wykonanie dodatkowej przesłony na fasadzie. Tego typu rozwiązanie wiąże się z dodatkowymi walorami estetycznymi, dlatego ma szansę zdobyć popularność w nowoczesnym budownictwie. Jednym z przykładowych sposobów zastosowania technologii jest eksperyment De Garcii i innych [8], wykorzystujący materiały zmiennofazowe w fasadzie wentylowanej. PCM umieszczone zostały w komorze powietrznej połączonej z systemem wentylacyjnym. W sezonie grzewczym fasada działa podobnie jak kolektor słoneczny, absorbując energię słoneczną (rys. 6). Gdy pojawia się zapotrzebowanie na ogrzewanie, zgromadzone ciepło zostaje uwolnione. Dodatkowa przesłona zapobiega wychładzaniu przegrody w porze nocnej. Taki system może wspomagać konwencjonalne sposoby ogrzewania, pozwalając znacznie obniżyć koszty eksploatacyjne. Problemem, który może się tu pojawić, jest ryzyko przegrzania budynku w okresie letnim, dlatego niezbędne jest zaprojektowanie odpowiedniej wentylacji.

20 M. Gosz Rys. 6. Fasadowy system magazynowania energii cieplnej w okresie zimowym [8] Oprócz elementów przeszklonych w fasadach zastosować można także osłony z innych materiałów pochłaniających energię słoneczną, np. z betonu. Przestrzeń pomiędzy warstwami wypełnić można jak w opisywanych wcześniej przypadkach materiałami zmiennofazowymi, rurkami z wodą (lub zastąpić wodę bardziej wydajnym czynnikiem działającym na zasadzie przemian termochemicznych), można także po prostu pozostawić ją jako pustkę powietrzną, gdyż powietrze również umożliwia zakumulowanie pewnej ilości energii. Magazyn ciepła jako zbiornik Najbardziej powszechnym sposobem magazynowania energii cieplnej w budynku są stalowe zbiorniki wypełnione cieczą (najczęściej wodą), które na rynku dostępne są w różnych gabarytach. W środku bufora znajduje się co najmniej jedna wężownica, przy czym każda kolejna pozwala na podłączenie dodatkowego źródła ciepła. Takie naczynie może zostać zainstalowane w przeznaczonym do tego pomieszczeniu, ale istnieją także rozwiązania przewidujące jego montaż w centralnym punkcie obiektu (rys. 7). Architektoniczna integracja ze szkieletem budynku pozwala na dodatkowe wykorzystanie ciepła generowanego przy ściankach naczynia, które tworzy barierę termiczną w rdzeniu konstrukcji. Istotne jest także zapewnienie odpowiedniej termoizolacji naczynia, umożliwiającej efektywne wykorzystanie zgromadzonej energii bez niepotrzebnych strat. Rys. 7. Przykład wodnego magazynu ciepła zintegrowanego z konstrukcją budynku [9]

Magazynowanie energii cieplnej dla potrzeb budynku - przegląd rozwiązań i sposobów 21 Stalowe zbiorniki wodne umieszcza się również pod budynkiem, gdzie ciepło z gruntu stanowi dodatkową izolację termiczną naczynia. Temperatura gruntu na głębokości około 15 metrów utrzymuje przez cały rok stałą wartość (8 C), dlatego umieszczenie w tej przestrzeni konstrukcji magazynu ciepła zapobiega jego wychładzaniu w okresie zimowym. W tym przypadku zbiorniki można wykonać np. jako element żelbetowy z wypełnieniem naturalnym (np. piasek) lub sztucznym (np. PCM). Wewnątrz instaluje się system rurek mających ładować ciepło (pochodzące np. z odnawialnych źródeł energii) do magazynu w okresie letnim i pobierać je zimą. Tutaj także niezwykle istotna jest kwestia termoizolacji konstrukcji. Innym przykładem podziemnego złoża ciepła jest system wiercony, czyli duża ilość sond zagłębionych w gruncie niczym fundamenty palowe. Układ wykorzystuje zjawisko stratyfikacji ciepła, w której rdzeń magazynu ma najwyższą temperaturę, a im dalej od niego, tym temperatura niższa. Duża powierzchnia takiego złoża zapewnia niewielkie straty ciepła. System został zrealizowany jako zasilanie w energię dla osiedla Drake Landing w Kanadzie, składającego się z 52 domów wraz z garażami [10]. Energię słoneczną pobiera 800 paneli solarnych i ładuje nią znajdujący się nieopodal podziemny magazyn składający się ze 144 otworów o średnicy 6 cali. Ich głębokość wynosi 35 m, a w każdym zainstalowano rurki wypełnione wodą (czynnik pośredniczący). PODSUMOWANIE W dążeniu do rozwoju budownictwa pasywnego idea magazynowania ciepła i chłodu, które można wykorzystać w okresie szczytowego zapotrzebowania, zyskuje na wartości oraz staje się obiektem kolejnych badań i eksperymentów naukowych. Nieustannie tworzone są kolejne prototypy konstrukcji złóż energii cieplnej, z których część z powodzeniem została zrealizowana i wykorzystana w życiu codziennym. Niniejsza praca przeglądowa obrazuje, jak szerokie może być pojęcie magazynu cieplnego i w jaki sposób można wkomponować go w bryłę budynku. W rozwiązaniach zastosowano różne rodzaje wypełnienia takiej konstrukcji, które mają wpływ przede wszystkim na jej rozmiar. Ze względu na najmniejszą pojemność cieplną największych rozmiarów wymagają zbiorniki z wkładem jednofazowym, czyli np. z wodą. Z tego powodu wzrasta popularność materiałów zmiennofazowych, wymagających nawet 5 razy mniejszych przestrzeni przy zachowaniu tych samych parametrów cieplnych [11]. Niektóre z rozwiązań, ze względu na stosunkowo małą inwazyjność, nadają się do instalacji w budynkach już istniejących bardziej niż inne (np. panele sufitu podwieszanego z wypełnieniem z PCM). Mimo to największą efektywnością charakteryzuje się połączenie kilku systemów przewidziane już na etapie projektowania obiektu, kiedy istnieje możliwość dostosowania konstrukcji budynku na potrzeby wybranych technologii. Podsumowując, zaleca się: 1. Stosowanie materiałów zmiennofazowych jako wypełnienie elementów magazynujących ciepło, które umożliwiają kumulację większej ilości energii niż konwencjonalne magazyny jednofazowe.

22 M. Gosz 2. Przewidywanie rozwiązań wykorzystujących alternatywne źródła ciepła już na etapie projektowania budynku. 3. Optymalne wykorzystanie konstrukcji obiektów i znajdujących się w nich wolnych przestrzeni przy lokalizowaniu elementów magazynujących ciepło. LITERATURA [1] http://ec.europa.eu/programmes/horizon2020/en/, dostęp: 14.10.2016 r. [2] Kant K., Shukla A., Sharma A., Kumar A., Jain A, Thermal energy storage based solar drying systems: A review, Innovative Food Science and Emerging Technologies 2016, 34, 86-99. [3] De Gracia A., Cabeza L.F., Phase change materials and thermal energy storage for buildings, Energy and Buildings 2015, 103, 414-419. [4] Silva T., Vicente R., Soares N., Ferreira V., Experimental testing and numerical modelling of masonry wall solution with PCM incorporation: a passive construction solution, Energy and Buildings 2012, 49, 235-245. [5] Jaworski M., Jak zwiększyć efektywność energetyczną budynków? Wykorzystanie materiałów zmiennofazowych (PCM), Izolacje 2009, 4. [6] http://ctwt.pg.edu.pl/aktualnosci/-/asset_publisher/hwsdnde3laii/content/rewolucyjny-syst em-regulacji-temperatury-domow-dr-hab-marka-krzaczka, dostęp: 15.10.2016 r. [7] Koschenz M., Lehmann B., Development of a thermally activated ceiling panel with PCM for application in lightweight and retrofitted buildings, Energy and Buildings 2004, 36, 567-578. [8] De Graciac A., Navarro L., Castell A., Ruiz-Pardo A., Alvarez S., Cabeza L.F., Experimental study of a ventilated facade with PCM during winter period, Energy and Buildings 2012, 58, 324-332. [9] www.sonnenhausinstitut.de, dostęp: 10.10.2016 r. [10] Howell G., Borehole Field in the The Drake Landing Solar Community Okotoks, Alberta, American Association of Physics Teachers, 2008. [11] Tatsidjodoung P., Le Pierres N., Luo L., A review of potential materials for thermal energy storage in building applications, Renewable and Sustainable Energy Reviews 2013, 18, 327-349. THERMAL ENERGY STORING FOR THE NEEDS OF BUILDING - A REVIEW OF SOLUTIONS AND METHOD TO INTEGRATE THEM WITH THE OBJECT S STRUCTURE Storing thermal energy gained from renewable sources is a promising technology to improve the energy efficiency of buildings. It is now a popular theme of many researches focused on choosing optimal parameters of storage, such as its size, filling type, location and the way of installation in the building. Each of these factors have a significant impact on reducing energy needs, both in the private and commercial sector. This paper is a review of the existing heat storage systems and ideas how they were integrated with the building structure. Keywords: thermal energy storage, phase change materials, building core, facade

Budownictwo o Zoptymalizowanym Potencjale Energetycznym 2(20) 2017, s. 23-28 DOI: 10.17512/bozpe.2017.2.03 Beata WILK-SŁOMKA, Janusz BELOK Politechnika Śląska, Wydział Budownictwa WPŁYW PARAMETRÓW OPTYCZNO-ENERGETYCZNYCH OSZKLENIA NA KOMFORT CIEPLNY POMIESZCZEŃ W artykule podjęto próbę określenia wpływu parametrów optyczno-energetycznych oszklenia na komfort cieplny w wybranej strefie budynku. Strefę o regulowanej temperaturze stanowi fragment budynku jednorodzinnego o powierzchni ogrzewanej ok. 55 m 2 z dużą powierzchnią przeszkloną od strony południowej. Jako metodę badawczą przyjęto badania numeryczne z wykorzystaniem programów ESP-r oraz Window dla danych klimatycznych miasta Katowice. Parametry optyczno-energetyczne zestawów szybowych dobrano tak, aby odpowiadały współczesnym rozwiązaniom dla budownictwa niskoenergetycznego. Ocenę komfortu cieplnego przeprowadzono w oparciu o wskaźnik PMV. Analizowano także średnią temperaturę promieniowania otaczających przegród. Słowa kluczowe: komfort cieplny, wskaźnik PMV, współczynnik przenikania ciepła oszklenia, współczynnik całkowitej przepuszczalności energii promieniowania słonecznego, średnia temperatura promieniowania otaczających przegród WPROWADZENIE Poprzez stan komfortu cieplnego człowieka rozumiemy stan zrównoważonego bilansu cieplnego z otoczeniem, czyli ilość ciepła wytwarzanego w wyniku metabolizmu jest równa ilości ciepła traconego do otoczenia przy jednoczesnym braku odczuwania dyskomfortu lokalnego. Na ów bilans cieplny wpływa aktywność fizyczna człowieka oraz izolacyjność cieplna odzieży, a także parametry środowiska: temperatura, wilgotność względna i prędkość przepływu powietrza oraz średnia temperatura promieniowania. Wskaźnikiem uwzględniającym powyższe czynniki jest PMV, który przewiduje średnią ocenę przez dużą grupę osób w siedmiostopniowej skali [1]. Osoby określające swoje odczucia, wybierając wartości 3, 2, +2, +3 w skali PMV, są uważane za niezadowolone z komfortu cieplnego w pomieszczeniu. Najistotniejszym parametrem wiążącym wskaźnik PMV z właściwościami oszklenia jest średnia temperatura promieniowania otaczających przegród zależna od usytuowania człowieka względem powierzchni o obniżonej lub podwyższonej temperaturze, co z kolei jest związane między innymi z parametrami optyczno- -energetycznymi oszklenia [1, 2].

24 B. Wilk-Słomka, J. Belok 1. OPIS PROCEDURY BADAWCZEJ Metoda badawcza przyjęta w pracy to badania numeryczne z wykorzystaniem programu ESP-r [3]. Służy on do modelowania efektów energetycznych dla budynku, pomieszczeń bądź ich grup (stref cieplnych). Właściwości optyczne oszklenia niezbędne do zadeklarowania w programie symulacyjnym wyznaczone zostały w programie Window [4]. Obliczenia były prowadzone z godzinowym krokiem czasowym na bazie rzeczywistych danych klimatycznych (Katowice, uśrednione dla okresu lat 1971-2000). Baza klimatyczna [5] została zaimplementowana do programu ESP-r. Jako charakterystyczne daty ilustrujące skrajne warunki pogodowe w ciągu roku przyjęto dni projektowe, które dla Katowic zostały określone przez autorów [5] na dzień 21.01 oraz 21.07. 1.1. Założenia analiz W celu określenia komfortu cieplnego posłużono się wskaźnikiem PMV, przyjmując poniższe wartości wielkości opisujących rodzaj ubioru i sposób zachowania się człowieka [1, 3]: aktywność fizyczna: 1,1 met (praca przy komputerze); oporność cieplna odzieży: zima: clo = 0,7 (bielizna, skarpetki, sweter, spodnie normalne), lato: clo = 0,37 (bielizna, skarpetki, koszula, cienkie spodnie); prędkość przepływu powietrza, w air = 0,1 m/s. Temperaturę w pomieszczeniu w zimie przyjęto t i = 20 C, natomiast temperatura w pomieszczeniu latem jest efektem bilansowania się wpływu warunków zewnętrznych oraz wewnętrznych zysków ciepła. Obliczeń dokonano przy założeniu braku zachmurzenia. Średnie wartości wilgotności względnej powietrza w pomieszczeniu w ciągu doby wynosiły odpowiednio dla okresu letniego 40% oraz zimowego 20%. Na rysunku 1 przedstawiono wartości wilgotności względnej w pomieszczeniu dla skrajnych warunków pogodowych - tj. 21.01. i 21.07. Wilgotność względna powietrza w pomieszczeniu [%] 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 21.01 21.07 Godzina Rys. 1. Wilgotność względna powietrza w pomieszczeniu w dniu 21.01. oraz 21.07. Jako strefę o regulowanej temperaturze wybrano fragment budynku jednorodzinnego o powierzchni ogrzewanej ok. 55 m 2 z dużą powierzchnią przeszkloną

Wpływ parametrów optyczno-energetycznych oszklenia na komfort cieplny pomieszczeń 25 od strony południowej (3,6 x 2,2 m). Wymiary pomieszczenia wynoszą 9,9 x 5,6 m. Monitorowano temperaturę powietrza w pomieszczeniu i wskaźnik PMV oraz wyznaczono wartości średniej temperatury promieniowania otaczających przegród w 6 punktach referencyjnych (PR_01 06). Punkty referencyjne umieszczono w połowie szerokości pomieszczenia, pierwszy w odległości 0,5 m od powierzchni przeszklonej, kolejne co 1,5 m na wysokości h = 1,5 m. 1.2. Przedmiot analiz oraz charakterystyka wariantów Przedmiotem pracy jest budynek jednorodzinny parterowy z poddaszem użytkowym, niepodpiwniczony, wykonany w technologii tradycyjnej murowanej. Na parterze znajdują się pokój dzienny połączony z kuchnią, wc, wiatrołap, natomiast na poddaszu zlokalizowano trzy sypialnie oraz łazienkę. Powierzchnia ogrzewana budynku wynosi 109,59 m 2. Od strony zachodniej został dobudowany garaż, który jest nieogrzewany (41,43 m 2 ). Współczynniki przenikania ciepła U przegród nieprzezroczystych wynoszą odpowiednio: podłoga na gruncie 0,21; ściana zewnętrzna 0,12; dach 0,14 oraz drzwi wejściowe 0,79 W/m 2 K. Na rysunku 2 przedstawiono widok elewacji analizowanego budynku oraz model pomieszczenia z rozmieszczeniem punktów referencyjnych. a) b) Rys. 2. Widok analizowanego budynku: a) elewacja południowa i wschodnia, b) model pomieszczenia z rozmieszczeniem punktów referencyjncyh [archiwum autorów] W celu określenia wpływu parametrów oszklenia na komfort cieplny w wybranej strefie o regulowanej temperaturze przeprowadzono badania porównawcze, rozpatrując 4 warianty oszklenia. Wariant wyjściowy W0 odpowiada swoim układem konstrukcyjnym najczęściej występującym rozwiązaniom w starszych budynkach istniejących. Pozostałe warianty dobrano tak, aby odpowiadały współczesnym rozwiązaniom technicznym, typowym dla budynków niskoenergetycznych [4, 6]. Wariant W0 to zestaw jednokomorowy złożony z szyb zwykłych, z wypełnieniem komory międzyszybowej powietrzem. Warianty W1 W3 to zestawy trójszybowe, w których komory są wypełnione argonem. W1 to zestaw złożony z szyb zwykłych,

26 B. Wilk-Słomka, J. Belok W2 - szyby zwykłe z powłokami niskoemisyjnymi, natomiast W3 od strony zewnętrznej - szkło z powłoką przeciwsłoneczną oraz od wewnętrznej strony z powłoką niskoemisyjną. W tabeli 1 zestawiono parametry dla analizowanych wariantów. Tabela 1. Charakterystyka analizowanych zestawów szybowych Wariant Schemat zestawu szybowego Współczynnik całkowitej przepuszczalności promieniowania słonecznego g Współczynnik przepuszczalności światła τ vis Współczynnik przenikania ciepła U W/m 2 K W0 (4-16-4) 0,77 0,81 2,72 W1 (4-16-4-16-4) 0,69 0,73 1,61 W2 (4-16-4-16-4) 0,53 0,70 0,70 W3 (6-16-4-16-4) 0,36 0,41 1,00 2. WYNIKI BADAŃ I ICH ANALIZA Analizy przeprowadzono dla całego roku, natomiast w niniejszej pracy przedstawiono jedynie wybrane wyniki - dla dni projektowych (21.01. i 21.07.). Na rysunku 3 przedstawiono wartości średniej temperatury promieniowania (t MR ) dla punktu referencyjnego (PR_03), zlokalizowanego w środku analizowanego pomieszczenia. Dla porównania na rysunku 4 podano wyniki (t MR ) uzyskane dla (PR_01), zlokalizowanego najbliżej dużej powierzchni przeszklonej. a) b) W0 W1 20,5 W2 W3 t MR [ o C] 20 19,5 19 t MR [ o C] 28 27 26 25 24 W0 W2 W1 W3 18,5 23 18 22 Godzina Godzina Rys. 3. Średnia temperatura promieniowania otaczających przegród - PR_03: a) 21.01., b) 21.07.

Wpływ parametrów optyczno-energetycznych oszklenia na komfort cieplny pomieszczeń 27 a) b) t MR [ 0 C] 22 21 20 19 18 17 16 15 W0 W2 W1 W3 t MR [ 0 C] 29 28 27 26 25 24 23 22 21 W0 W2 W1 W3 Godzina Godzina Rys. 4. Średnia temperatura promieniowania otaczających przegród - PR_01: a) 21.01., b) 21.07. Prezentowane wyniki odnoszą się do temperatury powietrza w pomieszczeniu w zimie równej 20±1 C, natomiast latem 25±2 C. Zachowane zostały zatem zakresy temperatur zapewniających dobre samopoczucie (zima 20 23 C, lato 24 28 C [6]). Dla punktu referencyjnego zlokalizowanego w odległości 0,5 m od powierzchni przeszklonej (PR_01), dla okresu letniego, obserwujemy wyższe wartości średniej temperatury otaczających przegród niż dla punktu referencyjnego zlokalizowanego w środku pomieszczenia (PR_03), co jest efektem wpływów środowiskowych, w szczególności natężenia promieniowania słonecznego. Występują także wyższe dobowe amplitudy wartości t MR dla punktu referencyjnego PR_01 niż dla PR_03. Dla okresu zimowego zauważyć można podobne zależności. Stąd tak ważne jest uwzględnienie parametrów energetyczno-optycznych na etapie projektowania obiektu budowlanego, a także analiza ich wpływu na przebieg temperatur w pomieszczeniu, celem między innymi odpowiedniej aranżacji pomieszczeń, oraz zapobiegania zjawisku przegrzewania pomieszczeń w okresie letnim czy też uniknięcia lokalnego dyskomfortu cieplnego. a) b) Godzina -1,2 Godzina Wskaźnik PMV -1,4-1,6-1,8-2 W0 W2 W1 W3 Wskaźnik PMV 0,2 0-0,2-0,4-0,6-0,8-1 -1,2-1,4-1,6-1,8-2 W0 W1 W2 W3 Rys. 5. Wartości wskaźnika PMV - PR_03: a) 21.01., b) 21.07. Analizując wartości wskaźnika PMV, można zauważyć, iż latem (21.07.) warunki komfortu cieplnego spełniają warianty W0-W2, zimą (21.01.), natomiast warianty W1-W3. Najlepszy wariant dla okresu zimowego to W2, a dla lata W1.

28 B. Wilk-Słomka, J. Belok PODSUMOWANIE Na podstawie analizy uzyskanych wyników stwierdzono, iż parametry optyczno- -energetyczne oszkleń w istotny sposób wpływają na odczucie komfortu cieplnego (należy rozpatrywać je łącznie). Autorzy pragną zaznaczyć, iż otrzymane wyniki odzwierciedlają konkretną sytuację (zachowanie się użytkownika), określoną przez sposób ubioru, charakter wykonywanej pracy oraz prędkość przepływu powietrza. Każda zmiana tych parametrów może spowodować zmianę uzyskanych wyników. Z przeprowadzonej analizy wynika, iż wymagania, jakim powinno odpowiadać oszklenie, decydujące o komforcie cieplnym są na tyle rozbieżne dla okresu letniego i zimowego, iż bardzo trudne jest (wręcz niemożliwym) opracowanie uniwersalnego zestawu szybowego wyłącznie poprzez kształtowanie jego parametrów optycznych. Osiągnięcie wymaganych właściwości przegród przeźroczystych musi zatem nastąpić poprzez realizację innych metod. LITERATURA [1] PN-EN ISO 7730:2006 Ergonomia środowiska termicznego. Analityczne wyznaczanie i interpretacja komfortu termicznego z zastosowaniem obliczania wskaźników PMV i PPD oraz kryteriów miejscowego komfortu termicznego. [2] Fanger P.O., Popiołek Z., Wargocki P., Środowisko wewnętrzne: wpływ na zdrowie, komfort i wydajność pracy, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2003. [3] https://www.esru.strath.ac.uk/programs, dostęp: 5.10.2016 r. [4] https://windows.lbl.gov/software/comfen/comfen.html, dostęp: 30.09.2016 r. [5] https://bigladdersoftware.com/epx/docs/8-0/input-output-reference, dostęp: 5.10.2016 r. [6] Rozporządzenie MIiR z dn. 17.07.2015 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie, DzU z 2015 r., poz. 1422. INFLUENCE OF OPTICAL AND THERMO INSULATING PARAMETERS OF GLAZING ON THERMAL COMFORT IN OCCUPIED SPACES The goal of this paper was to determine the impact of glazing parameters on thermal comfort in a selected thermal zone in residential building. The thermal zone is represented by a part of single family house with heated area of 55 m 2 and large glazed area from southern side. There was chosen as testing method the numerical method with usage the ESP-r and Window software. Climate data necessary for calculations were taken for Katowice. Estimation of thermal comfort was carried out using PMV index. In considerations were taken into account also mean radiant temperatures and mean air temperature inside zone. Four variants of glazing were used in the analysis. The reference point was the glazing system made of single chamber pane set filled with air. Other variants were selected in such a way that they corresponded to modern solutions of pane sets assigned for low-energy buildings. From the point of view of feeling thermal comfort it seems that the most advantageous for winter period is W2 solution and for the summer W1. Keywords: thermal comfort, PMV index, thermal transmittance of glazing, total permeability of solar radiation energy, mean radiant temperature

Budownictwo o Zoptymalizowanym Potencjale Energetycznym 2(20) 2017, s. 29-36 DOI: 10.17512/bozpe.2017.2.04 Sylwia BRELAK, Ryszard DACHOWSKI Politechnika Świętokrzyska, Wydział Budownictwa i Architektury WIELOKRYTERIALNA ANALIZA PORÓWNAWCZA WYROBÓW Z AUTOKLAWIZOWANEGO BETONU KOMÓRKOWEGO MODYFIKOWANEGO MATERIAŁAMI RECYKLINGOWYMI W artykule dokonano oceny porównawczej wyrobów z autoklawizowanego betonu komórkowego modyfikowanego dodatkami w postaci odpadów z tworzyw sztucznych i naturalnych odrzutów poprodukcyjnych za pomocą analizy wielokryterialnej. Do modyfikacji użyto regranulatu polistyrenu wysokoudarowego poddanego pulweryzacji oraz mączki chalcedonitowej powstałej jako odpad poprodukcyjny w kopalni chalcedonitu. Na podstawie przeprowadzonej analizy najkorzystniejszym materiałem do modyfikacji autoklawizowanego betonu komórkowego jest dodatek w postaci polistyrenu wysokoudarowego. Tworzywo użyte do modyfikacji jest produktem odpadowym wpływającym korzystnie na poprawę właściwości fizyko-mechanicznych badanego wyrobu. Materiał ten spowodował wzrost wytrzymałości na ściskanie o 40% oraz obniżenie współczynnika absorpcji wody o 37% w stosunku do tradycyjnego wyrobu. Słowa kluczowe: autoklawizowany beton komórkowy, polistyren wysokoudarowy (HIPS), mączka chalcedonitowa, analiza wielokryterialna WPROWADZENIE Autoklawizowany beton komórkowy jest najbardziej popularnym materiałem budowlanym do wznoszenia ścian murowych. Polski rynek produkcji ABK stanowi około 40% wszystkich materiałów ściennych oraz dostarcza na Europę jedną trzecią zapotrzebowania, a tym samym Polska jest największym producentem tego materiału w Europie. Materiał ten powstał w latach dwudziestych ubiegłego wieku w wyniku kryzysu energetycznego w Szwecji, spowodowanego ograniczeniem zużycia drewna na cele budowlane. Poszukiwano nowego tworzywa łączącego w sobie takie cechy drewna, jak: naturalne pochodzenie surowców, niska masa, wysoka izolacyjność cieplna oraz łatwość obróbki, a przy tym nieposiadającego jego wad, czyli, aby był materiałem niepalnym i niegnijącym. Rozwiązanie znalazł Axel Erikkson, który rozpoczął przemysłową produkcję betonu komórkowego o oficjalnej nazwie Ytong [1]. Ze względu na stały rozwój technologii coraz częściej prowadzone są badania m.in. nad modyfikacją materiałów budowlanych przy zastosowaniu dodatków

30 S. Brelak, R. Dachowski poprawiających właściwości fizykomechaniczne produktów ściennych. Celem artykułu jest ocena porównawcza wyrobów z autoklawizowanego betonu komórkowego modyfikowanego materiałami recyklingowymi. Oceny gotowych produktów dokonano na podstawie przebadanych właściwości użytkowych wytworzonych wyrobów za pomocą analizy wielokryterialnej metodą sieci pajęczej. 1. WŁAŚCIWOŚCI AUTOKLAWIZOWANEGO BETONU KOMÓRKOWEGO Autoklawizowany beton komórkowy popularność zawdzięcza swoim właściwościom. Najistotniejszą z nich jest jego izolacyjność cieplna, która jest najwyższa spośród wszystkich materiałów konstrukcyjnych do wznoszenia ścian. Wyższą posiadają jedynie materiały niekonstrukcyjne, takie jak np. styropian czy wełna mineralna. Powoduje to możliwość wykonywania z ABK ścian jednowarstwowych, które spełniają wciąż zaostrzane wymagania. Charakterystyczną cechą autoklawizowanego betonu komórkowego jest również niska masa. W Polsce klasy gęstości tego materiału mieszczą się w przedziale 300 900 kg/m 3, co powoduje, że jest to najlżejszy mineralny materiał ścienny. Niska gęstość objętościowa ABK zwiększa tempo budowy i jej ergonomiczność. Niezależnie od dużych wymiarów bloczków łatwo się je przenosi, ustawia oraz muruje, a tym samym technologia murarska jest prosta. Niewielka masa autoklawizowanego betonu przyczynia się do obniżenia kosztów transportu, ponieważ na jeden środek transportowy przypada większa ilość objętościowa tego materiału niż innych materiałów ściennych. Cecha ta przyczynia się również do racjonalnego wykorzystania zasobów naturalnych, ze względu na niższe ich zapotrzebowanie przy produkcji, w przeliczeniu na 1 m 3 innych materiałów ściennych. Natomiast sam proces wytwarzania nie powoduje uwalniania do środowiska substancji szkodliwych. Skład chemiczny oraz odczyn zasadowy autoklawizowanego betonu komórkowego nie sprzyja rozwojowi drobnoustrojów, co sprawia, iż materiał ten wykazuje odporność na bakterie, grzyby i pleśnie. Elementy z ABK pod względem ognioodporności zostały przypisane do klasy A1. Oznacza to, że tworzywo nie zawiera substancji palnych i nie przyczynia się do powstawania pożaru oraz nie wytwarza dymu, tym samym jest materiałem niepalnym. Przy bezpośrednim działaniu ognia autoklawizowany beton komórkowy nie nagrzewa się i przez długi czas zachowuje właściwości nośne. Obecne technologie produkcji autoklawizowanego betonu komórkowego oraz właściwości gotowych wyrobów powodują, iż zarówno sam proces wytwarzania, jak i eksploatacja ABK wpisują się w konwencję zrównoważonego rozwoju [1-4]. 2. ANALIZA WIELOKRYTERIALNA METODĄ SIECI PAJĘCZEJ Analiza wielokryterialna polega na przyjęciu od 3 do 7 kryteriów podrzędnych z grupy techniczno-ekonomicznej. Poszczególnym kryteriom przypisuje się wagi

Wielokryterialna analiza porównawcza wyrobów z autoklawizowanego betonu komórkowego 31 w celu ujęcia priorytetów oceny. W oparciu o wybrane kryteria oceny przedmiotu analizy porównuje się je za pomocą klasyfikacji medianowej, np. stosując skalę punktową, uwzględniając przy tym wagi dla poszczególnych cech. Natomiast metodę sieci pajęczej stosuje się z uwagi na bardzo zróżnicowany charakter badanych kryteriów oraz stopień ich spełnienia. Metoda polega na obliczeniu pola powierzchni wielokąta określonego przez poszczególne kryteria. W analizie wielokryterialnej metodą sieci pajęczej poddano ocenie wyroby z tradycyjnego autoklawizowanego betonu komórkowego oraz modyfikowanego dodatkami pochodzącymi z recyklingu, takimi jak polistyren wysokoudarowy (HIPS) oraz mączka chalcedonitowa. Poddane ocenie wyroby zostały wytworzone w technologii SW w warunkach półprzemysłowych w zakładzie produkcyjnym betonu komórkowego. Natomiast badania cech użytkowych zostały przeprowadzane w laboratoriach Politechniki Świętokrzyskiej [5, 6]. Polistyren wysokoudarowy (HIPS - High Impact Polystyrene) zaliczany jest do jednych z najstarszych polimerów styrenowych. Kopolimer ten otrzymywany jest w reakcji sczepienia polibutadienu (PB) oraz polistyrenu (PS). Dzięki temu HIPS charakteryzuje się ulepszonymi właściwościami udarności w porównaniu z tradycyjnym PS. Polistyren wysokoudarowy cechuje się niską gęstością objętościową, wysoką sztywnością oraz odpornością na pękanie [7, 8]. Użyty do modyfikacji HIPS to regranulat o gęstości objętościowej wynoszącej 1,05 g/cm 3 poddany pulweryzacji do frakcji 630 µm (rys. 1). Rys. 1. Polistyren wysokoudarowy; w formie regranulatu 4 x 3 mm; o frakcji 630 µm Chalcedonit to osadowa skała krzemionkowa składająca się głównie z chalcedonu, opalu i autogenicznego kwarcu w procentowej ilości wynoszącej 68,3 95,4%, w mniejszych ilościach występuje kwarc i inne składniki terygentyczne wynoszące 0,3 6,6% oraz pory wolne i wypełnione stanowiące 2,0 24,7%. Z uwagi na wysoką zawartość krzemionki chalcedonit jest skałą jednorodną [9]. Chalcedonit charakteryzuje się gęstością właściwą wynoszącą od 2,62 do 2,67 g/cm 3 oraz porowatością 14 35% [10]. Do badań wykorzystano mączkę chalcedonitową (rys. 2) powstałą

32 S. Brelak, R. Dachowski jako materiał odpadowy w kopalni kruszywa chalcedonitowego posiadającą takie same właściwości jak kruszywo. Do końcowej analizy wyrobów z autoklawizowanego betonu komórkowego, pod uwagę wzięte zostały cztery kryteria, takie jak: K1 - cena wyrobów, K2 - ekologia, K3 - średnia wytrzymałość na ściskanie, K4 - średni współczynnik absorpcji wody. Rys. 2. Mączka chalcedonitowa Dla poszczególnych kryteriów zestawiono właściwości wybranych wyrobów z ABK dla odmiany 500 (tab. 1). Tabela 1. Klasyfikacja właściwości wyrobów z autoklawizowanego betonu komórkowego Wyroby Cena wyrobu [zł/m 3 ] Ekologia Średnia wytrzymałość na ściskanie [MPa] Średni współczynnik absorpcji wody [g/m 2 s 0,5 ] Autoklawizowany beton komórkowy Autoklawizowany beton komórkowy z dodatkiem HIPS Autoklawizowany beton komórkowy z dodatkiem chalcedonitu 180-280 duża 3,35 105 210-360 b. duża 4,70 66 180-330 b. duża 3,69 107 W tabeli 1 rozrzut cenowy w przypadku tradycyjnego wyrobu wynika z faktu, iż wyrób ten sprzedawany jest w postaci różnego rodzaju bloczków. Do łatwiejszej analizy cenę poszczególnych bloczków przeliczono na 1 m 3. W przypadku modyfi-

Wielokryterialna analiza porównawcza wyrobów z autoklawizowanego betonu komórkowego 33 kowanych wyrobów do ceny tradycyjnego wyrobu doliczono koszt zakupu dodatków. W literaturze powszechnej [1, 2] ABK uważany jest za materiał ekologiczny, ponieważ wpisuje się w uwarunkowania zrównoważonego rozwoju, dlatego tak też został określony w tabeli. Przy wykorzystaniu materiałów pochodzących z recyklingu utylizowany jest materiał, co przyczynia się do zrównoważonego rozwoju, dlatego też wyroby te określono jako bardzo ekologiczne. Średnia wytrzymałość na ściskanie oraz średni współczynnik absorpcji wody zostały określone na podstawie badań, których wyniki przedstawiono w publikacjach [5] i [6]. W celu uwzględnienia priorytetów oceny materiałów wybranych do analizy zastosowano wagi dla poszczególnych kryteriów wg metody eksperckiej (tab. 2). Tabela 2. Wagi dla poszczególnych kryteriów oceny Cena wyrobu K1 25% Ekologia K2 30% Średnia wytrzymałość na ściskanie K3 25% Średni współczynnik absorpcji wody K4 20% W oparciu o ustalone kryteria oceny gotowych wyrobów porównano właściwości tych materiałów za pomocą klasyfikacji medianowej z uwzględnieniem wag poszczególnych właściwości (tab. 3). Przy ocenie zastosowano skalę punktacji od 1 do 5, im więcej punktów, tym lepszy wynik. Tabela 3. Klasyfikacja punktów z uwzględnieniem wag za poszczególne kryteria Wyroby K1 K2 K3 K4 Autoklawizowany beton komórkowy 1,3 1,2 0,8 0,6 Autoklawizowany beton komórkowy z dodatkiem HIPS Autoklawizowany beton komórkowy z dodatkiem chalcedonitu 0,8 1,5 1,3 1,0 1,0 1,5 1,0 0,6 Ze względu na bardzo zróżnicowany charakter badanych kryteriów i stopień ich spełnienia ostatecznego wyboru najlepszego z ocenianych materiałów dokonano metodą sieci pajęczej. Wzór dla metody sieci pajęczej (pole powierzchni wielokąta) F i = 0,5 sinα ( Z i Z i+1 +... + Z n Z i ) (1) gdzie: α = 72 ; Z i - punktacja dla pierwszego kryterium z uwzględnieniem wagi;

34 S. Brelak, R. Dachowski Z i+1 - punktacja dla kolejnego kryterium z uwzględnieniem wagi; Z n - punktacja dla ostatniego kryterium z uwzględnieniem wagi. Autoklawizowany beton komórkowy F = 0,5 sinα (Z 11 Z 12 + Z 12 Z 13 + Z 13 Z 14 + Z 14 Z 11 ) F = 0,5 sin72 (1,3 1,2 + 1,2 0,8 + 0,8 0,6 + 0,6 1,3) = 1,71 Autoklawizowany beton komórkowy z dodatkiem HIPS F = 0,5 sinα (Z 11 Z 12 + Z 12 Z 13 + Z 13 Z 14 + Z 14 Z 11 ) F = 0,5 sin72 (0,8 1,5 + 1,5 1,3 + 1,3 1,0 + 1,0 0,8 = 2,38 Autoklawizowany beton komórkowy z dodatkiem chalcedonitu F = 0,5 sinα (Z 11 Z 12 + Z 12 Z 13 + Z 13 Z 14 + Z 14 Z 11 ) F = 0,5 sin72 (1,0 1,5 + 1,5 1,0 + 1,0 0,6 + 0,6 1,0) = 2,00 Wyniki analizy w formie wykresu sieci pajęczej przedstawiono na rysunku 3. Rys. 3. Wykres sieci pajęczej dla analizowanych materiałów Na podstawie rysunku 3 stwierdza się, iż największe pole powierzchni wielokąta różnobocznego osiągnął autoklawizowany beton komórkowy z dodatkiem HIPS. Osiągnął on o 39% większe pole niż dla tradycyjnego wyrobu i o 19% niż dla ABK z dodatkiem chalcedonitu. Wyrób ten największą ilość punktów osiągnął dla kryteriów: K3 - średnia wytrzymałość na ściskanie i K4 - średni współczynnik absorpcji wody. Ponadto, osiągnął taką samą liczbę punktów dla kryterium K2 - ekologia, jak dla ABK z dodatkiem chalcedonitu. Autoklawizowany beton komórkowy

Wielokryterialna analiza porównawcza wyrobów z autoklawizowanego betonu komórkowego 35 z dodatkiem chalcedonu osiągnął o 17% większe pole powierzchni wielokąta różnobocznego niż tradycyjnego wyrobu. Natomiast najmniejsze pole osiągnął autoklawizowany beton komórkowy bez dodatków. PODSUMOWANIE Na podstawie przyjętych kryteriów w analizie metodą sieci pajęczej najkorzystniejszym wariantem pod względem wybranych kategorii jest autoklawizowany beton komórkowy zawierający dodatek w postaci polistyrenu wysokoudarowego. Pomimo wyższego kosztu gotowego wyrobu w stosunku do tradycyjnego ABK, uwzględniając inne cechy produktu zawierającego HIPS jest on najlepszym materiałem do wznoszenia ścian spośród analizowanych. Za jego wyborem przemawiają przede wszystkim argumenty ekologiczne, czyli wykorzystanie surowca odpadowego. Dodatkowym argumentem skłaniającym do modyfikacji autoklawizowanego betonu komórkowego polistyrenem wysokoudarowym jest znaczna poprawa właściwości fizykomechanicznych gotowego wyrobu. LITERATURA [1] Zapotoczna-Sytek G., Balkovic S., Autoklawizowany beton komórkowy. Technologia, właściwości, zastosowanie, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2013. [2] SPB, Prawie wszystko o betonie komórkowym, Zeszyt 1, Warszawa, 2015. [3] Major M., Major I., Wykorzystanie odpadów gumowych w budownictwie zrównoważonym, Budownictwo o Zoptymalizowanym Potencjale Energetycznym 2014, 2(14), 38-45. [4] Major M., Major I., Kompozyty w budownictwie zrównoważonym - przegląd rozwiązań i przykłady zastosowań, Budownictwo o Zoptymalizowanym Potencjale Energetycznym 2015, 1(15), 126-133. [5] Dachowski R., Kapała S., Modyfikacja autoklawizowanego betonu komórkowego polistyrenem wysokoudarowym, Materiały Budowlane 2016, 6, 69-70. [6] Kapała S., Dachowski R., The influence of the chalcedony on the properties of autoclaved aerated concrete, Procedia Engineering 2016, 699-703. [7] Alfarraj A., Nauman E. B., Super HIPS: improved high impact polystyrene with two sources of rubber particles, Polymer 2004, 45, 8435-8442. [8] Vilaplana F., Ribes-Greus A., Karlsson S., Chromatographic pattern in recycled high-impact polystyrene (HIPS) - Occurrence of low molecular weight compounds during the life cycle, Polymer Degradation and Stability 2010, 95, 172-186. [9] Michel M.M., Charakterystyka chalcedonitu ze złoża Teofilów pod kątem możliwości wykorzystania w technologii uzdatniania wody i oczyszczania ścieków, Gospodarka Surowcami Mineralnymi 2011, 27, 1, 49-67. [10] Tchórzewska D., Pabis J., Kosk I., Nieć M., Nowe zastosowania chalcedonitu jako sorbentu w procesie oczyszczania wód, Przegląd Geologiczny 2001, 49/4, 303-306.

36 S. Brelak, R. Dachowski MULTICRITERIA COMPARATIVE ANALYSIS OF AUTOCLAVED AERATED CONCRETE PRODUCT MODIFIED MATERIALS RECYCLED WASTE The article presents comparative evaluation of autoclaved aerated concrete products modified additives in the shape of waste plastic material and natural discards of post-production using multicriteria analysis. To modify was used pulverized regrind high-impact polystyrene and meal chalcedonite produced as a waste product in the mine chalcedonite. Based on the analysis carried out, the most preferred material for the modification of autoclaved aerated concrete is a high impact polystyrene additive. The material used for the modification is a waste product that improves the physico-mechanical properties of the product to be tested. This material resulted in an increase in compressive strength by 40% and a reduction in the water absorption coefficient by 37% compared to traditional traction. Keywords: autoclaved aerated concrete, high-impact polystyrene (HIPS), chalcedonite meal, multicriteria analysis

Budownictwo o Zoptymalizowanym Potencjale Energetycznym 2(20) 2017, s. 37-42 DOI: 10.17512/bozpe.2017.2.05 Grygorii GASII Poltava National Technical Yuri Kondratyuk University, Poltava, Ukraine Oleg ZABOLOTSKYI MTS Company LTD, Almaty, Kazakhstan CONSTRUCTIVE CONCEPT OF COMPOSITE STRUCTURES FOR CONSTRUCTION INCLUDING GEOLOGICAL SPECIFICS The task of the study is consider some specifics of design and construction of composite structures in seismic regions on the example of Kazakhstan including geological specifics of Almaty city. The new constructive concept for seismically dangerous areas was proposed. This is the composite steel and concrete structural frame, which was developed in Poltava National Technical Yuri Kondratyuk University. Keywords: composite structures, design, construction INTRODUCTION Belonging cities to the seismically active regions is a major problem in the development of urban infrastructure. Construction of residential and public buildings in particular requires certain measures to reduce the risk of destruction in consequence of earthquakes. These measures may include special designs that dampen dynamic effects or the use of materials that are able to resist dynamic forces and influences. In this study considered some designs using earthquake-resistant composite materials. It is steel-concrete composite material. As analysis of recent research and publications has shown, the steel-concrete composite material is used very widely in various fields of civil construction [1-5]. 1. THE MAIN MATERIAL One of the main effects that causes the specifics of design and construction in the Republic of Kazakhstan is the seismicity of the area. In some regions of the country, seismicity of the construction area reaches nine points, but with the category of soils, seismicity construction sites can be up to ten points. In the Republic of Kazakhstan in seismically dangerous areas are the following areas: 1) East Kazakhstan Region; 2) Almaty Region; 3) Jambyl Region; 4) South Kazakhstan Region; 5) Kyzylorda Region.

38 G. Gasii, O. Zabolotskyi There are specifics of the design and construction in Kazakhstan in current work shown by the example seismological and geological and climatic conditions of Almaty city that is the part of the Almaty region on seismic risk rank. Area of Almaty city is divided into several construction sites with the seismicity of nine and ten points. Ten Seismicity caused by occurrence in the top weak layers of soil (mostly clay soils of the first and even the second type of subsidence). Usually geotechnical sections at construction sites of Almaty are similar. Typically it are:1) the first layer is a bulk or plant soil that are not suitable for foundations; 2) the second layer is clay soil (not subsidence or first and second type of subsidence) is not suitable for foundations or suitable depending on the number storeys of building and application of events for removal subsidence of soil; 3) the third layer is solid (gravel or pebble soil). Including the geological specifics there is a need to build structures with underground or basement and usage stronger sandy or gravel soils instead of soft clay soil by replacing and pounding base to achieve design parameters in accordance with state regulatory requirements [6]. There is also a requirement in accordance with [6] bury the base of foundation below ground level not less than 10% of height above ground of the building. The foundation is made above the basis as a continuous monolithic slabs or monolithic cross belts. Compaction of the bases are paying great attention with compulsory metering degree of compaction and other parameters given in project. When buildings are designed in seismically dangerous areas there is important to providing symmetry vertical bearing structures relative to the central axis of the building. It is strongly required to coincide the center of the building and the center of mass of bearing designs. This location of the support structures gives minimal effort in the elements under seismic loads, and hence the lowest possible reinforcement structures. Of course, in practice not always possible to achieve complete symmetry, but we always strive to this. Even at the stage of conceptual design constructors work together with architects to location bearing elements for maximum symmetry. There are frame and frame-wall constructive systems of buildings in Almaty. Among all type of frameworks usually used system in the form spatial frame with vertical stiffness diaphragm. This choice conditioned to the fact due seismic effects there are significant horizontal forces on the floors of a building and this frame resists these forces without exceeding the allowable horizontal displacement floors of buildings, which can not be achieved without the usage of stiffness diaphragm. The foundations are made usually as a monolithic slab thickness from 500 to 900 mm depending on number of storeys, from concrete B20 or B25 according to [7] and reinforcement A-III (A400) and A-I according to [8]. Strengthening of the foundation performed using basic (background) reinforcement with cells 200 200 mm and additional reinforcement. There are additional reinforcement in the bottom zone that is held in between the basic reinforcement (Fig. 1a) and the top zone below the basic in one or more rows (Fig. 1b).

Constructive concept of composite structures for construction including geological specifics 39 Fig. 1. Reinforcement of top zone (a) and bottom zone (b) of the foundation plate [9] Columns are reinforced longitudinal and transverse reinforcement. Cross-sectional area of longitudinal reinforcement at construction site seismicity nine and ten points should be at least 1.2% of the cross-sectional area of the column. The diameter of transverse reinforcement must be at least 8 mm. Joints of column and beams should be reinforced with locked transverse reinforcement, which are set with step no more than 100 mm (Fig. 2). Fig. 2. Reinforcement of joints of columns and beams [9] Walls (diaphragms) are reinforced at zones. There are two zones reinforcement of walls: 1) Peripheral zone. It is area near the end faces of the walls, openings and faces the intersection of walls; 2) Field zone. It is the rest area of wall, which need reinforcement. Reinforcement of peripheral zones is performed with spatial frames, which located in areas 0.1-0.2 length of the length of the wall. Reinforcement of field

40 G. Gasii, O. Zabolotskyi zones is performed with flat vertical frames that connect the horizontal reinforcement. Connection of longitudinal reinforcement, which have a diameter more than 22 mm and longitudinal reinforcement of columns is performed with welding. Moreover, the welded joints in height are placed in the run. Instead of welding, is widely used threaded couplings. In most cases, protecting designs is made from autoclaved concrete blocks (heat insulation blocks). These heat insulation blocks are a good insulating material, moreover, walls that have thickness of 400 mm for climatic district of Almaty do not require additional insulation. These structures are non-bearing therefore in case of dynamic effects they need reinforcement. Strengthening of structures perform reinforced with vertical inclusions, steel bars or bilateral reinforcing mesh. In practice, there is used reinforcement from steel bars (Fig. 3) [9]. Partitions are made of hollow concrete blocks with a thickness of 90 mm to 190 mm, depending on the height of the building. Blocks are made with half dry vibrocompression of cement-sand mixture. Laying performed with a solution not mark below M50 and ligation of vertical joints. All vertical channels filled plastic concrete B10 with small filler. Vertical reinforcement is made from rods with a diameter of 12 (16) A-III (A400) and with step of bars 400 mm, horizontal reinforcement is performed every 600 mm (3 lines) as a grid, which is made from reinforcement wire Bp-I. Vertical reinforcement is connected between the top and bottom floors by means put segments of reinforcement rods in drilled wells. Such partitions quite good resistance to dynamic effects and therefore widely used in seismic activity areas. Fig. 3. Strengthening masonry with steel bars [9] 2. THE NEW CONSTRUCTIVE CONCEPT The purpose of this chapter is to present the new kind of spatial composite structure made from strength materials for civil construction, in particular to floor and roof system - the composite steel and concrete structural frame (CSCSF). Novelty

Constructive concept of composite structures for construction including geological specifics 41 of CSCSF lies in effective application properties of materials [10]. The CSCSF consists different kinds of structural elements: slabs, steel space trusses. The steel space trusses are made from segments of steel tubes or rods. The slabs are used as the top chords, steel space trusses are used as diagonals. The diagonals and slab create space module [10] that is main element of CSCSF. The CSCSF are assembled on construction site from space modules (Fig. 4). The structural elements are joined by bolted connections but sometimes in specific case can be joined by welded connections. Choice of a connection type are depend on function of structures, span and shape, but preference is given to bolted connections because they are relatively easy to assemble, maintain, and they are able to carry the high loads including dynamic that typically appear in structural members of structures. Fig. 4. Manufacturing of the space module for composite steel and concrete structural frame [10] Production of space modules can be performed in the plants that produce steel structures, and other plants that have the equipment for processing steel and concrete casting of products. Technologies of processing, assembly, welding, loading and unloading of steel structural member of the CSCSF are similar to the technology of production of conventional steel structures and concrete structures. Manufacturing technology of the CSCSF is divided into two separate processes: fabrication of a steel lattice (frame) and the making of slab. Construction of the CSCSF is perform by the methods described in [10]. CONCLUSION The specifics of design and construction in Kazakhstan are connected with a constructive solution of bearing and walling structures. Analysis of the specifics of design and construction was shown for seismically dangerous areas of Almaty. The analysis found that these specifics are caused by seismic danger of these areas and intended for maximum strength and stability of the buildings and structures, and that it is important to provide safety for people in these buildings even in such a dangerous phenomenon as seismic. The new constructive concept for seismically dangerous areas was proposed. It is the composite steel and concrete structural

42 G. Gasii, O. Zabolotskyi frame. This structure is the new kind of large-span structures, which have significant advantages; in particular and have lower complexity of manufacturing and assembly than analogues. This structural concept makes it possible to save materials due to the rational using of them. The conclusion that this type of constructions is reliable and efficient in exploitation, allows to save materials was made based on experimental, theoretical and analytical studies and the stress-strain state numerically investigation. In conclusion, it should be noted that the composite steel and concrete structural frame can have different forms and shapes. This allows to use the structures successfully in construction. REFERENCES [1] Gasii G.M., Technological and design features of flat-rod elements with usage of composite reinforced concrete, Metallurgical and Mining Industry 2014, 4, 23-25. [2] Gasii G., Hasii O., Zabolotskyi O., Estimate of technical and economic benefits of a new space composite structure, MATEC Web of Conferences 2017, 116. [3] Storozhenko L.I., Gasii G.M., Gapchenko S.A., Design features and technology of installation of new spatial constructions of composite grid-cable coverings, Eastern-European Journal of Enterprise Technologies 2014, 4, 1(70), 67-72. [4] Storozhenko L.I., Gasii G.M., Experimental research of strain-stress state of ferrocement slabs of composite reinforced concrete structure elements, Metallurgical and Mining Industry 2014, 6, 40-42. [5] Storozhenko L.I., Gasii G.M., The new composite designs for mine tunnel support, Scientific Bulletin of National Mining University 2015, 4(148), 28-34. [6] SNiP RK 2.03-30-2006 Construction in seismic areas. Seismic design code. [7] GOST 25192-82 Concretes. Classification and general technical requirements. [8] GOST 5781-82 Hot-rolled steel for reinforcement of ferroconcrete structures. Specifications. [9] Report on research work: Develop albums of technical solutions for enclosing structures using efficient materials for the construction of individual houses, Astana, KAZNISISSA, 2005. [10] Gasii G.M., Types of steel and concrete composite cable space frames, Science and Transport Progress 2016, 6, 158-165. KONCEPCJA KONSTRUKTYWNA STRUKTUR KOMPOZYTOWYCH DO OBIEKTÓW BUDOWLANYCH Z UWZGLĘDNIENIEM SPECYFIKI GEOLOGICZNEJ W artykule omówiono wybrane warunki projektowania i budowy struktur kompozytowych stosowanych w zagrożonych sejsmicznie regionach, na przykładzie Kazachstanu, z uwzględnieniem warunków środowiskowych Almaty. Zaproponowano nową konstruktywną koncepcję struktur do zastosowania w obiektach budowlanych wznoszonych w rejonach sejsmicznych. Jest to konstrukcja kompozytowa wykonana ze stali i betonu, opracowana w Poltavskim Państwowym Uniwersytecie Technicznym im. Yuriya Kondratiuka. Słowa kluczowe: kompozyt, struktury, projektowanie, konstrukcja

Budownictwo o Zoptymalizowanym Potencjale Energetycznym 2(20) 2017, s. 43-50 DOI: 10.17512/bozpe.2017.2.06 Krystyna JANUSZKIEWICZ Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie, Wydział Budownictwa i Architektury THE HEALTH PROTECTIVE AND ENERGY SAVING URBAN ENVIRONMENT AT THE TIME OF CLIMATE CHANGE With the use of parametric and multi-criteria optimization digital tools, buildings can be designed to respond to various requirements. Recently, an expanded understanding of building performance acknowledges that all factors acting on buildings (climate, energies, information, human agents) are not static and fixed, but rather mutable and transient. This paper explores the possibilities of architectural design to benefit human condition, which encompasses physical and mental wellbeing, environmental quality of life during the Climate Change era. The first part of the paper defines the main factors (such as: lack of green nature and sunlight, noise and pollution) which are influencing the formation of psychological disorder in big cities. The negative impact of these factors is constantly increasing in the time of Climate Change progressing. The second part presents results of the research program undertaken at West Pomeranian University of Technology in Szczecin by author. The program (Climate Change Adapted Architecture and Structure) goes on to attempt to solve the problem through architectural design. This study highlights a social problem, such as mental well-being, resulting from urbanization or effects of the climate change, and serves as a useful background for further research on the possibilities of redefining sustainable and human friendly design). Keywords: urban design, energy saving, human heath, climate change, protectivity, climate change INTRODUCTION Global climate change is expected to pose increasing challenges for cities in the following decades, placing greater stress and impacts on multiple social and biophysical systems, including population health, coastal development, urban infrastructure, energy demand, and water supplies. In the past decade, there has been growing evidence that activities to mitigate climate change can have beneficial impacts on public health as a result of changes to environmental pollutants and health-related behaviours. Understanding the interrelation between these impacts and the built environment put forth to architects and engineers to develop innovative materials, components and systems, with the goal of designing to building more active i.e. responsive, adaptive as well as protective to variable and extreme climate conditions [1]. Future building should be active to both internal and external conditions as well as should be act as a protector of human health.

44 K. Januszkiewicz 1. A PSYCHOLOGICAL DISORDER IN THE URBAN ENVIRONMENT The process of urbanization could be described as one of the major global environmental changes directly affecting human health today. People spend more than 90% of their lives within buildings [2]. Advanced urbanization brings a lot of advantages society, but also far-reaching side consequences. One of the fastest growing diseases in recent years with a global reach is depression, a psychological disorder. While the physical health impacts of climate change are well known, the impact on mental health has only begun to be recognized. At the time of Climate Change the number of people suffering from depression is constantly growing. There are 350 million people that live with depression today. It affects people of all nationalities and ages, regardless of social status. The World Health Organization estimates that in 2030 it could be the most widespread disease in the world. This increasing number is harmful to humanity, declines economic activity, increases social costs and suicides [3]. Depressive disorders appear for different reasons: genetic, neurobiological or environmental. Today, most neuroscientists agree that the biological determinants of this disease are associated with disorders of the brain or nervous system. Neurotransmitters whose disorders especially affect proper working of human endocrine are serotonin (hormone of happiness), melatonin, and norepinephrine [4]. Despite scientific knowledge and self-awareness about depression, therapies used by doctors are short-lived and not effective. They heal only the human body but do not affect the environment in which we live, which significantly contributes to disorders of human endocrine. The right level of hormones mentioned above is dependent on the inputs that the organism is getting from environment. The urban environment requires a fast pace of life, causing stress and chemicals responsible for the endocrine balance in the body are not fully metabolized. Restoration of normal hormonal balance can be achieved the creation of a friendly environment and developing structures that will have a positive impact on occupants. 2. RESEARCH AND DESIGNING OF ANTIDEPRESSANT BUILDING IN THE URBAN ENVIRONMENT The dictionary explanation of 'protective' is intended to protect someone or something or adapted to afford protection of some kind: protective covering ; protective coatings. While the protectivity in contemporary architecture can be defined as a system s ability to giving protection of users to the build environment. Recently, at the time of global climate change the terms redefine form not as the shape of a material object alone, but as the multitude of effects, the milieu of conditions, modulation and microclimates that emanate from the exchange with its specific environment - as a dynamic relationship that is both perceived and interacted with by subject [5]. As defined in climate change literature adaptive capacity is the property of a system to adjust its characteristics to expand its coping

The health protective and energy saving urban environment at the time of climate change 45 range [6]. In practical terms, adaptive capacity is the ability to implement effective adaptation strategies, or to react to stresses to reduce any likelihood of harmful outcomes. The ability for a building to change and adapt its configuration relative to the main factors (such as: lack of green nature and sunlight, noise and pollution) which are influencing the formation of depression in big cities should be a source of formal and technological innovations. Last year these issues were addressed by Krystyna Januszkiewicz (Leader of Digitally Designed Architecture Lab) and faculty member at the WPUT (West Pomeranian University of Technology) in Szczecin. The research program (Climate Change Adapted Architecture and Structure) is focused on protective envelopes designed for modern buildings in cities experiencing recent rapid development. The envelopes designed to have adaptation and protection strategies to anticipate exterior environmental variations as well as interior interaction with inhabitants. With the use of parametric and multi-censor optimization tools, envelopes are programmed to respond to the certain criteria. Cities produce lot of energy e.g. sound, smell, friction, that is not used again, so it is worth widening the range of storage inputs. 2.1. Research In the first part of the research project, the main negative and positive factors affecting mental health are in large metropolises are defined. The impact negative effects of climate change along with their correlation with depression are discussed (Fig.1). Fig. 1. Environmental factors influencing depression and principles of building working. Climate Adapted Architecture and Structure Research Program, WPUT Szczecin, 2015 The second part of the research program goes on to attempt to solve this problem through architectural design, using the latest technology and methods [7]. The intention of this design was to not only to minimise but to eliminate any negative environmental impact completely. This was possible by using intelligent and sensitive design conceptualization. The working principle was inspired through the basic principle of how natural neuron networks works.

46 K. Januszkiewicz An artificial neuron is a mathematical function conceived as a model of biological neurons. Artificial neurons are the constitutive units in an artificial neural network. The artificial neuron receives one or more inputs (representing dendrites) and sums them to produce an output (representing a neuron's axon). The entry gets input signals. This is information that describes a task that the neuron has to solve. Each of the instruments has a certain value. The signals are multiplied by the weight values, the results of this multiplication are added together in a summing block. In this way, a specific number is defined as membrane potential. It is sent to the activation block where it can be processed in the future. The activation blocks receive an answer with a new value of the input signal [8]. Similarly, the stages of information processing through the building can take place by using three elements: the external envelope, which wraps the building and spreads to the streets of the city, collecting inputs from the environment. Gathering of the information - mostly negatives are processed in summing blocks located at the building base and released as positives into the interior by outer envelope. 2.2. Processing external negatives into internal positives Each of the environmental factors could be collected or processed by a personalized system. Inputs gathered from surroundings would be processed and released to the building interior with a new value. The intensity of released outputs could be controlled or manipulated by internal needs. It also could be combined in various ways to create the best expected microclimate (Fig. 2). The following basic principles of building working have been considered: Smell: dirty air would be collected by the pores in facade. Odor from the surroundings is cleaned in a summing block using an air ionizer. Plasma discharge generates and emits the same positive and negative ions that occur in released into the air simultaneously would be used. These positive and negative ions instantly recombine on nature. Ion air purification technology in which positive ions [H + (H 2 O) n] and negative ions [O 2 (H 2 O) m] are the surface of bacteria, mold fungus, viruses and allergens floating in the air to form hydroxyl (OH) radicals, which have extremely high oxidation ability, and this chemical reaction decomposes proteins on the surface of bacteria and other pathogens, thereby inhibiting their activity [9]. This combination creates water which returns to the air. Cleaned air is transformed back to the interior of the building. Some of the pores in the facade contain selected natural, essential oils that are sprayed in the air in selected parts of the buildings in order to create a particular mood. For example: graveolens - a strong antidepressant, helps with emotional problems; grapefruit - improves mood and relieves nervous tension; peppermint - inhibits hyperactivity and lessens fatigue. Sound: A system of microphones could be mounted to the façade. Microphones are divided into 3 groups. Each group has a special membrane catching specific tones: low, medium and high. Particular vibrations go to the synthesizer that works like the sampler, recording sounds (the noise of the city) and then manipulating them in various ways by changing the sound settings into more

The health protective and energy saving urban environment at the time of climate change 47 friendly tones. Processed vibrations are released into the building through the different speakers as harmonic sounds of specific frequencies, which are friendly for the organism. For example, sounds with level of 136,6 Hz are relaxing for body, frequencies of 400 480 Hz decrease stress and are free from physical pain and raising vitality. Natural environment: rainwater could collect on the facade by a system of gutters with bowl-shaped heads. Single gutters would be connected to a main one hidden in facade that would direct water to the summing block for future cleaning and recycling processes. Recycled water is pumped back to the interior of the building and used for hydrating the plants that create a beneficial, natural environment. Sunlight: in the external façade a system could be mounted that basically uses a glass ball that is filled with water to concentrate the sun s energy onto a PV panel. In this way the sun s energy is concentrated by up to 10,000 times [10]. The ball can also be rotated and would include a tracking system, meaning that energy collection is maximized throughout the day. The PV panels transport collected energy to the battery, which converts DC power into AC power with the frequency and voltage corresponding to the requirements of electricity grid. The collected power could be used to charge the whole building and to operate lamps, which are physically similar to sunlight. It has a resemblance to the wavelength of light, the light intensity (about 10 000 lux) and color. Lamps are turned on when there is no sunlight outside which would provide the right balance of melatonin to the organism. Fig. 2. Processing external negatives into internal positives - Stimuli division. Climate Adapted Architecture and Structure Research Program, WPUT Szczecin, 2015 [7]

48 K. Januszkiewicz This is a proposal for a protective and adaptive building envelope. This is an idea of a first level operational framework for present and future investigations towards performance based responsive architectures through a set of responsive typologies. A mock-up concept of a secondary environmental system to a primary structural system joint into a collective behavioural system equipment with an artificial neuron network system is presented above (Fig. 2). 2.3. Results The presented proposal of building envelope prepared by the Digitally Designed Architecture Lab (2015) at WPUT in Szczecin shows the possibilities of how to use elements of existing environments and to then process them into a friendly habitat using the latest building envelope technology. In this design a building is treated as environmental valves regulating the transmissions of energy, light, air, moisture, and information between interior and exterior. Fig. 3. Protective human health envelope for a smart city under rapid development, 2015. Climate Adapted Architecture and Structure Research Program, WPUT Szczecin [7] Cities that focus on smart development have to seek innovative solutions and wisely manage resources in order to become a forces for economic development. Depending on the location and needs, the building (this could be a public or residential space) function could be combined for private and public functions. Buildings also could create networks with each other, such as a neuron network. In a big metropolis environment, stimuli can be very different in each part of the city. Some of the buildings could collect more water or sunlight for others that need it. In that case, buildings could contact each other by sending Wi-Fi information about the state of collected energy. Buildings, which would save more energy, could transmit it to those that need it, assuring a sustainable balance in the network (Fig. 3). It would become a living part of the city, processing the external factors such as light, noise, smell and give it back into the building, creating different atmospheres of sounds, smells and other inputs, that the city creates every day.

The health protective and energy saving urban environment at the time of climate change 49 This design task can only be tackled by means of an integrated approach to planning, i.e. interdisciplinary collaboration between architects, facade and environmental engineers. DISCUSSION AND CONCLUSION This research highlights the impact of architecture on the psychological state of man and sensitize designers to re-define sustainable and human friendly design. The vein-like structure of the building would be connected with the surroundings, unlike it is today, where most of the buildings aim to protect human health from external factors. Scientists should take more research into the improvement of building envelopes in terms of impact on the urban environment of their users. The capacity for building skin to actively support building function is critical to the future of building envelopes design. Every environmental factor would be collected and processed through a customized computing system. Input gathered from the building exterior would then be processed and recalculated with a new value to the building's interior. The intensity of released outputs could be controlled according to internal needs. This could also be combined in various ways to create the optimum microclimate. Climate change policy is often presented as a choice between mitigation and adaptation, where mitigation refers to efforts toward reducing the accumulation of greenhouse gases in the atmosphere and adaptation refers to adjusting to the impacts of a warming world through enhancing an ecosystem s resilience. This is a false dichotomy, and to address climate change we need to begin the process of writing both mitigation and adaptation strategies into our building codes and standards. inputs, that the city creates every day. Acknowledgements The author would like to thank WPUT Szczecin students (Master Program): Sylwia Gudaczewska, Piotr Orłowski and PhD students: Natalia E. Paszkowska, Konrad Zaremba for their contributions to this work as well as for their efforts and enthusiasm throughout the WPUT Szczecin workshop. REFERENCES [1] Velikov G., Thün K., Responsive Building Envelopes: Characteristics and Evolving Paradigms. In Design and Construction of High Performance Homes, Routledge Press, London 2012, 75-91. [2] Confalonieri U., Menne B., Akhtar R., Ebi K.L., Hauengue M., Kovats R.S., Revich B., Woodward A., Human health. Climate Change 2007: Impacts, Adaptation and Vulnerability. Contribution of Working Group II to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, Cambridge University Press, Cambridge UK, 2007, 391-431. [3] Ebi K.L., Sussman F.G., Wilbanks T.J., Reid C.E., Hayhoe K., Thomas J.V., Weaver C.P., Analyses of the effects of global change on human health and welfare and human system, Report by the U.S. Climate Change Science Program and the Subcommittee on Global Change Research, U.S. Environmental Protection Agency, Washington DC 2008, 1-11.

50 K. Januszkiewicz [4] Nemeroff C.B., Vale W.W., The neurobiology of depression: inroads to treatment and new drug discovery, J. Clin Psychiatry 2005, 66(7), 5-13. [5] Hensel M., Menges A., Inclusive Performance; Efficiency Versus Effectiveness. Toward Morfo- Ecological Approach for Design, AD 2-3 (78) 2008, 54-63. [6] Wigginton M., Harris J., Intelligent Skins, Elsevier Architectural Press, Oxford 2006. [7] Januszkiewicz K., Gudaczewska S., Orlowski P., Antidepressant infrastructure for vertical cities. Experimental approach to investigate antidepressant structures for regions for regions in rapid development, 4th Annual International Conference on Architecture and Civil Engineering (ACE) 2016, Singapore, GSTF 2016, 323-329. [8] Beesley P., Hirosue S., Ruxton J., Responsive Architectures. Subtle Technologies 06, Riverside Architectural Press, Cambridge 2006, 3-11. [9] Sharp, Hihger concentration of plasmacluser ions Higher Concentrations of Plasmacluster Ions * 1 Boost Virus Inactivation and Elimination, Inhibit 99.9% of Airborne H5N1 Avian Influenza ( Bird Flu ) Virus, Verified in Collaboration with Retroscreen Virology Ltd. of the UK, August 2008, in press. [10] Goia F., Perino M., Serra V., Zanghirella F., Towards an active, responsive, and solar building envelope, Journal of Green Building 2010, 4(5), 121-136. ŚRODOWISKO MIEJSKIE CHRONIĄCE ZDROWIE I OSZCZĘDZAJĄCE ENERGIĘ W CZASIE ZMIANY KLIMATU Cyfrowe narzędzia parametryczne oraz wielokryterialne narzędzia optymalizacyjne sprawiają, że budynki mogą być projektowane w odpowiedzi na różne żądania. Obecnie, w rozszerzonym rozumieniu performance-u budowli przyjmuje się, że czynniki oddziałujące na budynek (klimat, energia, informacja, czynnik ludzki) nie są statyczne i stałe, lecz zmienne i przejściowe. Artykuł przedstawia możliwości projektowania miast z uwzględnieniem tych czynników i wynikające z tego korzyści dla człowieka, zwłaszcza jego zdrowia psychicznego podczas postępującej zmiany klimatu. W pierwszej części artykułu przedstawia się główne czynniki (takie jak: brak zieleni i nasłonecznienia, hałas i zanieczyszczenia), które występują w dużych miastach, a które mają wpływ na stany psychiczne. Wpływ tych czynników nieustannie wzrasta podczas postępujących zmian klimatu. W drugiej części przedstawia się próbę rozwiązania tego problemu przez projektowanie architektoniczne w ramach programu naukowego (Adaptacja architektury i konstrukcji do zmian klimatu) kierowanego przez autorkę w Zachodniopomorskim Uniwersytecie Technologicznym w Szczecinie. Wyniki tych studiów rzucają nowe światło na problem socjalny, a zwłaszcza zapewniania dobrego samopoczucia w środowisku zurbanizowanym w czasie zmian klimatycznych. Otwierają także drogę do dalszych badań nad i w zakresie projektowania przyjaznego człowiekowi miejskiego środowiska zrównoważonego. Słowa kluczowe: projektowanie miast, energia, zdrowie, zmiana klimatu, ochrona

Budownictwo o Zoptymalizowanym Potencjale Energetycznym 2(20) 2017, s. 51-56 DOI: 10.17512/bozpe.2017.2.07 I.L.SHUBIN, D.V. KARPOV Research Institute of Building Physics of the Russian Academy of Architecture and Building Sciences (NIISF RAASN) V.I. RIMSHIN, A.G. SOKOLOVA Research Institute of Building Physics of the Russian Academy of Architecture and Building Sciences (NIISF RAASN) Institute of Urban Development NIISF RAASN KNOWLEDGE INTENSIVE TECHNOLOGIES FOR ADVANCED TRAINING OF SPECIALISTS IN CONSTRUCTION AND HOUSING AND UTILITIES INFRASTRUCTURE The present paper is concerned with the tasks of arrangement of the conditions for technology intensive, innovative and effective development of construction industry. The issues of advanced training and retraining of specialists in construction industry and housing and utilities infrastructure have been thoroughly studied and analysed. The new innovative approaches to improvement of intelligent potential of specialists and senior officials have been proposed to meet the up-to-date requirements. The main tendencies and trends for further development of professional education in the Russian Federation have been set out and verified for the next few years. Keywords: construction, housing and utilities infrastructure, supplementary vocational education, educational centre, specialist, occupational retraining INTRODUCTION Analysing the tendencies of global development of construction industry, it s worth mentioning that construction sector plays an essential role in the European economy. With the annual turnover accounting for 1 billion euro and the total labour force exceeding 11 million people (mostly involved in micro- and small enterprises), the additional 15 million people are employed indirectly, the construction industry contributes to 10% of GDP of developed market economies. It s important to note that construction is also the largest consumer of goods produced by allied industries (raw materials, chemicals, electrical and electronic equipment and machinery, etc.) and related services. Due to its economic importance, the operation of construction sector has a great influence on the developing economies of European countries in general. Stability and dynamic development of construction industry plays the critical part in achievement of the target set by the European Union countries and the Russian Federation, to reduce greenhouse gas emissions by 80 95%. In accordance

52 I.L. Shubin, D.V. Karpov, V.I. Rimshin, A.G. Sokolova to Roadmap of pursuing competitive low-carbon economy up to 2050, the economically effective contribution of housing into reduction of greenhouse gas emissions by 2030 is set to reach 40 50% and 90% by 2050 correspondingly. It s important to note that in Russia the task of arrangement of the conditions for technology intensive, innovative and effective development of construction industry and housing and utilities infrastructure is set at the country level; those conditions are supposed to satisfy the increasing demand of country s population for comfortable living standards. In Russia, the new effective system of corporate responsibility for training and retraining of specialists is being implemented in academic and educational environment and also among the employers in compliance with scientific and economic forecast of development of the state. Please note that, the newest high-tech developments of leading scientists and academic professionals from higher educational institutions and research institutes are incorporated into the educational complexes realised at the modern stage. The outcomes of such investigations are published in Russian and foreign scientific papers [1-13]. Continuing education of senior officials and specialists was compulsory in Russia during the Soviet period and was carried out every 5 years for the period of 1.5-2 months in the specialized institutes for vocational training in such sectors as construction, housing and utilities infrastructure, transport and highway construction, etc. The effectiveness of educational process can t be emphasized too strongly as it gives a cumulative effect of implantation of effective scientific developments into production sphere. 1. THE MAIN TENDENCIES AND PERSPECTIVES OF DEVELOPMENT OF SUPPLEMENTARY VOCATIONAL EDUCATION IN THE CONSTRUCTION SECTOR The passing of the new Federal Bill The Law of the Russian Federation on Education dated 29.12.2012 No. 273-FZ has become the starting point of the development of the system of supplementary vocational education in Russia. The institutes of supplementary vocational education were merged to the universities in the form of corporate units. Along with this, specific attention was given to the ways of integration of educational and scientific (research) activities in one educational institution. Thus, design and technical evaluation bodies, incubators and other scientific (research) departments were established in universities, while research institutes were given an opportunity to carry out educational activities. As an example, we can mention the successful cooperation of Moscow State University of Civil Engineering (MGSU) and the Technical Committee The Green ( Zelenye ) for technology of life s activity environment and green innovation products (TC 36) by Federal Agency on Technical Regulating and Metrology, led by V.I. Telichenko, the president of NIU MGSU, Doctor of Engineering, professor, Honoured master of sciences of the Russian Federation, member of the Russian Academy of Architecture and Building Sciences. They deal with the issues of natu-

Knowledge intensive technologies for advanced training of specialists in construction 53 ral environment protection, ecological security, and the problems of sustainable development concept. Let s emphasize that many ecological problems could be solved by means of engineering methods. The Federal Educational Standards and Federal State Requirements serve as the main substantive and organizational base for professional education. The professional standards approved by the authorized trade unions of sector employers and regulatory requirements to graduates competencies are taken into account at the corresponding qualification levels. It s important to mention that at the present time, cooperation of educational institutions and enterprises of construction and communal services is developed in the following principal fields which make provision for synchronising professional and educational standards (regarding the level of education), stating the requirements to educational results depending on a level of training and retraining, as well as the number of teaching hours. Along with that, the issues of participation of representatives of potential employers in interim and final examinations are approached; they include development of networking cooperation of educational and scientific and research centres, enterprises of real sector of economy with hightech technology intensive equipment and instrumentarium. Then, the joint development of general professional education programmes and the programmes of supplementary vocational education is carried out. To our mind, in a near-term outlook it s necessary to create the effective and independent system for professional and public accreditation of professional educational programmes and public accreditation of educational institutions and centres. In order to improve the quality of specialists training in a sector and also stating the fact that state control over advanced training and professional retraining of specialists was abolished, it s required to raise the significance of a procedure of professional public accreditation. In particular, to get authorization for works affecting safety of capital construction projects, it s necessary to validate the recommendation to undergo advanced training of specialists exceptionally according to the educational programmes accredited by employers, their trade unions or organizations authorised by them. The Ministry of Construction Housing and Utilities of the Russian Federation is currently working on formation of modern urban habitat, total building renovation and rehousing of residents of condemned buildings. Facing the modern challenges, the Ministry established a temporary structure for processing industrial and household waste, including municipal solid waste (MSW). Now the market of advanced processing of building waste with the use of Russian innovative technologies is actively forming; that requires the decisive actions of developing sufficiency of specialists with the relevant competences for construction sector companies and departments of executive power in the majority of Russian regions. All this will encourage perfecting legal regulation, reduction of administrative barriers and improvement of entrepreneurial climate. When organising the system of supplementary vocational education, it s recommended to use good professional practice of performance of the contracts for

54 I.L. Shubin, D.V. Karpov, V.I. Rimshin, A.G. Sokolova educational services related to training specialists responsible for energy saving and enhancing energy performance in the state-financed organizations and establishments in the period of 2011-2012, the President programme Continuing professional development of engineers for the period of 2012-2014. In compliance with new professional standards developed by the Ministry of Labour of the Russian Federation, employees qualification has to meet the up-to-date performance and competence requirements which include: participation in the courses of supplementary vocational education and occupational retraining for senior officials and specialists, building tradesmen in the field of construction and housing and public utilities, qualification examination. 2. ESTABLISHMENT OF UNIVERSITY OF MINSTROY In the Research Institute of Building Physics of the Russian Academy of Architecture and Building Sciences (NIISF RAASN), since 2014 subordinated to the Ministry of Construction and Housing and Communal Services of the Russian Federation, it was established the University of Minstroy. It specializes in supplementary vocational education of senior officials and specialists in advanced issues of construction industry such as: energy saving, environmental monitoring of the urban areas and agglomerations of Russia, creation of safe lighting systems of premises, buildings and structures, heat-saving technologies, noise protection, aerodynamics in urban areas, utilization of waste materials in sustainable building, reliability of building structures, design and construction of smart homes, etc. Supplementary professional retraining (SPR) is implemented combining the methods of distant learning and work placement in real work sites of the successful Russian companies. NIISF RAASN is staffed with highly-qualified professionals, it has all the necessary facilities and resources and the valid licence for educational activity including supplementary vocational education. The primary objective of supplementary professional retraining (SPR) is enhancement of professional knowledge of specialists and senior officials of organizations, establishments and companies of various forms of incorporation, as well as occupational retraining with the purpose of obtaining competences required for new type of a professional activity. The special attention is given to practiceoriented training senior students. Moreover, supplementary vocational education is provided for higher-education teaching personnel of universities and colleges of the Russian Federation, employees of NIISF RAASN and other research and educational institutions with the purpose of enhancement of their professional knowledge. In order to accomplish its purpose and mission, University of Minstroy has developed and approved the wide range of educational programs for supplementary vocational education and professional retraining with due regard to specific features of establishments. The educational programs include professional retraining in the field of engineering, management, economics, jurisprudence, and supplementary vocational

Knowledge intensive technologies for advanced training of specialists in construction 55 education in accordance to the company core profile as well as financial, legal and managerial aspects. The University of Minstroy organizes short-term seminars focused on advanced contemporary problems, international and Russian workshops and tutorials, specialized conferences and symposiums. The special attention is centred on educational consulting, cost-engineering and engineering. For educational activity, the University employs highly-qualified academic staff, skilled senior professionals combining teaching and scientific activity with actual work in design and construction organizations, operating entities, auditing, financial and consulting companies, etc. Due to this, our listeners gain fundamental knowledge, acquire practical skills and competences, review sessions during the process of learning. Higher-educational teaching personnel, involved in educational process, comprise doctors of sciences and PhDs, professors and associate professors. CONCLUSIONS To carry out educational activity in the form of supplementary vocational education for working tradesmen, the university signed the agreements with plants and factories possessing production facilities and licenced high-tech industrial equipment and machinery. The forms of training include on-campus, part-time and off-campus (remote) learning (electronic distant learning). The valid licence for educational activity granted to NIISF RAASN enables the enrolled listeners to receive the certificates of supplementary vocational education and diplomas of professional retraining on the basis of academic performance. REFERENCES [1] Cherkas A., Rimshin V., Application of Composite Reinforcement for Modernization of Buildings and Structures, MATEC Web of Conferences 2017, 117, p. 00027. [2] Shubin I., Zaitsev Y., Rimshin V., Kurbatov V., Sultygova P., Fracture of high performance materials under multiaxial compression and thermal effect, Engineering Solid Mechanics 2017, 5, 2, 139-144. [3] Korotaev S., Kalashnivov V., Rimshin V., Erofeeva I.,Kurbatov V., The impact of mineral aggregates on the thermal conductivity of cement composites, Ecology, Environment and Conservation 2016, 22, 3, 1159-1164. [4] Erofeev V., Karpushin S., Rodin A., Tretiakov I., Kalashnikov V., Moroz M., Smirnov V., Smirnova O., Rimshin V., Matrvievskiy A., Physical and mechanical properties of the cement stone based on biocidal portland cement with active mineral additive, Materials Science Forum 2016, 871, 28-32. [5] Erofeev V., Zavalishin E., Rimshin V., Kurbatov V., Stepanovich M., Frame composites based on soluble glass, Research Journal of Pharmaceutical, Biological and Chemical Sciences 2016, 7, 3, 2506-2517. [6] Krishan A., Troshkina E., Rimshin V., Rahmanov V., Kurbatov V., Load-bearing capacity of short concrete-filled steel tube columns of circulat cross section, Research Journal of Pharmaceutical, Biological and Chemical Sciences 2016, 7, 3, 2518-2529.

56 I.L. Shubin, D.V. Karpov, V.I. Rimshin, A.G. Sokolova [7] Bazhenov Yu., Erofeev V., Rimshin V., Markov S., Kurbatov V., Changes in the topology of a concrete porous space in interactions with the external medium, Engineering Solid Mechanics 2016, 4, 4, 219-225. [8] Telichenko V.I., Rimshin V.I., Karelskii A.V., Labudin B.V., Kurbatov V.L., Strengthening technology of timber trusses by patch plates with toothed-plate connectors, Journal of Industrial Pollution Control 2017, Т. 33, 1, 1034-1041. [9] Spiridonov A.V., Shubin I.L., Rimshin V.I., Syomin S.A., Solar protection: European and Russian practice of rating, AVOK: Ventilation, Heating, Air-Conditioning, Heat Supply and Construction Physics 2014, 5, 64-68. [10] Spiridonov A.V., Shubin I.L., Rimshin V.I., Syomin S.A., The differences in statutory requirements to solar protection in Russia and the European Union, Building Materials, Equipment, Technologies of XXI Century 2015, 5-6, 24-29. [11] Rimshin V.I., Syomin S.A., Spiridonov A.V., Shubin I.L., The practice of regulation of solar protection, Light Technics 2014, 6, 26-31. [12] Bondarenko V.M.., Rimshin V.I., Construction science - the tendencies of development, Building Materials 1998, 2, 2. [13] Telichenko V.I., Rimshin V.I., The Critical Technologies in Construction Industry, The Proceeding of the Department of the Russian Academy of Architecture and Building Sciences 1998, 4, 16-18. SZKOLENIE SPECJALISTÓW W ZAKRESIE ZAAWANSOWANYCH TECHNOLOGII DLA BUDOWNICTWA MIESZKANOWEGO, PRZEMYSŁOWEGO I UŻYTECZNOŚCI PUBLICZNEJ Niniejszy artykuł dotyczy warunków i zadań, jakie stoją przed instytucjami edukacyjnymi przygotowującymi specjalistów branży budowlanej do wdrażania innowacyjnych, efektywnych, zaawansowanych technologii. Wnikliwie zbadano i przeanalizowano kwestie wdrożenia szkoleń i przekwalifikowania specjalistów w zakresie inwestycji budowlanych, infrastruktury mieszkaniowej, przemysłowej i użyteczności publicznej. Zaproponowano nowe innowacyjne podejście do poprawy wiedzy i umiejętności specjalistów oraz kadry kierowniczej, tak aby mogli sprostać aktualnym wymaganiom i rozwiązaniom technicznym. Określono i zweryfikowano główne kierunki i trendy rozwoju profesjonalnego szkolenia zawodowego w Federacji Rosyjskiej. Słowa kluczowe: infrastruktura budowlana, edukacja zawodowa, zaawansowane technologie, ośrodek edukacyjny, specjalista

Budownictwo o Zoptymalizowanym Potencjale Energetycznym 2(20) 2017, s. 57-66 DOI: 10.17512/bozpe.2017.2.08 Jacek NAWROT Politechnika Częstochowska, Wydział Budownictwa WPŁYW WYBORU KONSTRUKCJI STROPU W SZKIELETOWYCH BUDYNKACH STALOWYCH NA POZIOM ODDZIAŁYWANIA NA ŚRODOWISKO W niniejszej publikacji przeprowadzono analizę wybranych rodzajów stropów pod kątem poziomu oddziaływania na środowisko. Zaproponowano dwa różne rozwiązania konstrukcyjne dla przyjętych założeń. Określono masę konstrukcji stalowej dla rozważanych wariantów. Obliczono i porównano wielkość emisji CO 2 oraz energochłonność związaną z wykonaniem analizowanych rozwiązań konstrukcyjnych. Słowa kluczowe: stropy stalowo-betonowe, energochłonność, emisja CO 2 WPROWADZENIE Zgodnie z założeniami budownictwa zrównoważonego, za budynek idealny można uważać obiekt, którego oddziaływanie na środowisko byłoby neutralne lub jak najmniej negatywne. Biorąc pod uwagę ten czynnik, najbardziej ekologicznym rodzajem konstrukcji są konstrukcje drewniane. Jednak z uwagi na względy przeciwpożarowe, sposób eksploatacji obiektu czy wymaganą nośność konstrukcji budynku, stosowanie konstrukcji drewnianych w stalowych budynkach szkieletowych jest dość ograniczone. W takim przypadku spośród pozostałych rozwiązań należy wybrać te, których poziom oddziaływania na środowisko będzie jak najmniej niekorzystny. Jest wiele czynników wpływających na poziom oddziaływania (energochłonność, wielkość emisji CO 2, poziom hałasu, ilość odpadów generowana w procesie produkcji, zdolność do ponownego przetworzenia (recyklingu), emisja pyłów zawieszonych itp.). W niniejszym artykule skupiono się na dwóch spośród nich, które w miarę precyzyjnie można oszacować: energochłonności i wielkości emisji CO 2, związanych z wytworzeniem elementów konstrukcyjnych analizowanych rozwiązań. W stalowych budynkach szkieletowych procentowy udział poszczególnych elementów w ogólnej masie konstrukcji obiektu przedstawia się następująco: słupy 40 60%, belki stropowe 30 50%, schody i szyby dźwigów 3 6%, tężniki 2 7% [6]. Bez względu na układ konstrukcyjny budynku sposób wykonania słupów (gorącowalcowane kształtowniki stalowe) oraz ich wielkość są podobne. Elementem, który z uwagi na przyjęte rozwiązanie ma decydujący wpływ na masę konstrukcji budyn-

58 J. Nawrot ku, jest strop. W szkieletowych budynkach stalowych konstrukcję stropu stanowią belki stalowe, na których wykonana jest monolityczna lub prefabrykowana płyta żelbetowa. W niniejszej pracy przeanalizowano pod kątem wielkości emisji CO 2 oraz energochłonności dwa, najczęściej stosowane w tego typu obiektach, rozwiązania konstrukcyjne stropów stalowo-betonowych. Podstawowym parametrem świadczącym o poprawności przyjętego rozwiązania konstrukcyjnego stropu, a także o jego efektywności ekonomicznej jest masa konstrukcji, wyrażana zazwyczaj w postaci wskaźnika zużycia stali na m 2 powierzchni. W niniejszej pracy oszacowano zależność między masą konstrukcji stalowej rozważanych stropów a energochłonnością i wielkością emisji CO 2, związanych z ich wykonaniem. 1. ROZWIĄZANIA KONSTRUKCYJNE STROPÓW BUDYNKÓW 1.1. Wiadomości wstępne Wybór konkretnego rozwiązania konstrukcyjnego stropu zależy głównie od funkcji budynku oraz rozstawu słupów [6]. W budynkach mieszkalnych oraz użyteczności publicznej najczęściej stosuje się stropy z pustaków lub żelbetowe. W szkieletowych budynkach stalowych, gdzie jednym z istotnych czynników obciążeń mogą być oddziaływania dynamiczne, stosuje się zazwyczaj stropy płytowo-belkowe, których głównymi elementami konstrukcyjnymi są stalowe belki stropowe (żebra i podciągi) oraz oparta na nich płyta żelbetowa. Takie rozwiązanie (z uwagi na wysoki stopień prefabrykacji konstrukcji) pozwala dość znacznie skrócić czas wykonywania prac montażowych, co przekłada się na skrócenie czasu realizacji obiektu. 1.2. Stropy WPS Głównymi elementami nośnymi stropu są gorącowalcowane dwuteowniki stalowe, mocowane do słupów lub oparte na ścianach nośnych budynku. Na dolnych półkach kształtowników stalowych układa się prefabrykowane płyty żelbetowe WPS o rozpiętości dostosowanej do rozstawu belek, który wynosi od 900 do 1500 mm (rys. 1). Rys. 1. Strop WPS: 1 - belka stalowa, 2 - prefabrykowana płyta stropowa WPS

Wpływ wyboru konstrukcji stropu w szkieletowych budynkach stalowych na poziom oddziaływania 59 1.3. Stropy belkowo-płytowe Stropy te należą do jednych z najczęściej stosowanych rozwiązań w stalowych budynkach szkieletowych. Głównymi elementami konstrukcji stropu są belki stalowe (najczęściej dwuteowniki). W przypadku stropów o małej rozpiętości (ok 7 8 m) stosuje się jeden rodzaj belek (żebra), które opiera się bezpośrednio na ścianach podłużnych budynku (rys. 2). Rys. 2. Strop płytowo-belkowy: 1 - belka stalowa (żebro), 2 - żelbetowa płyta stropowa Przy większych rozpiętościach oprócz żeber występują także podciągi, podparte słupami i stanowiące oparcie dla żeber. Obecnie konstrukcje tego typu są coraz częściej zastępowane stalowo-betonowymi stropami. 1.4. Stalowo-betonowy strop zespolony Coraz większą popularność w ostatnich latach zyskują stalowo-betonowe stropy zespolone, szczególnie w szkieletowych budynkach wysokich, wypierając tradycyjne stropy żelbetowe [4]. W stropach tych prefabrykowana lub monolityczna płyta żelbetowa połączona jest w sposób trwały (zespolona) z belką stalową (rys. 3). a) b) Rys. 3. Stalowo-betonowy strop zespolony: a) z płytą monolityczną, b) z płytą prefabrykowaną; 1- łącznik sworzniowy [5] Dzięki temu uzyskiwany jest jeden (choć niejednorodny) przekrój, posiadający jedną oś obojętną. W przekroju przęsłowym górna jego część (beton) przenosi naprężenia ściskające, dolna (kształtownik stalowy) przenosi naprężenia rozciągające. Można łatwo wykazać, że w przekroju zespolonym wartość naprężeń normalnych jest dwukrotnie mniejsza, a ugięcie czterokrotnie mniejsze w porównaniu do analogicznego przekroju niezespolonego, gdzie oba komponenty (płyta i belka)

60 J. Nawrot mogą się swobodnie przemieszczać względem siebie [5]. W związku z tym, wskaźnik zużycia stali konstrukcyjnej na m 2 powierzchni dla stropów zespolonych ma mniejszą wartość niż dla tradycyjnych stropów belkowo-płytowych. 2. ANALIZOWANE RODZAJE STROPÓW 2.1. Założenia Analizie poddano strop jednej kondygnacji szkieletowego budynku o konstrukcji stalowej i funkcji biurowej. Założono wymiary rzutu budynku 16 x 42 m (rys. 4), co daje powierzchnię stropu równą 672 m 2. Konstrukcję stropu stanowią belki główne (podciągi) o rozpiętości 8 m i rozstawie 6 m oraz belki drugorzędne (żebra) o rozpiętości 6 m i rozstawie 2 m, stal konstrukcyjna S235. Rozstaw żeber, warunkujący rozpiętość przęsła płyty stropowej, ustalono na podstawie obliczeń wytrzymałościowych wykonanych zgodnie z [7] oraz [8]. Żelbetowa płyta stropowa o grubości 10 cm wykonana jest z betonu C20/25. Rys. 4. Rzut analizowanego stropu: 1 - podciągi, 2 - żebra, 3 - słupy Przyjęto typowy układ warstw wykończeniowych stosowany w stropach stalowych budynków szkieletowych o funkcji biurowej: płytki ceramiczne, wylewka cementowa gr. 5 cm folia PCV styropian gr. 5 cm papa izolacyjna płyta żelbetowa gr. 10 cm Charakterystyczna wartość ciężaru warstw wykończeniowych (razem z płytą) wynosi 3,87 kn/m 2, przyjęte obciążenie użytkowe równe 2,0 kn/m 2. Do dalszej analizy przyjęto dwa warianty konstrukcji obecnie najczęściej stosowane w stalowych budynkach szkieletowych: tradycyjny strop belkowo-płytowy oraz stalowo-betonowy strop zespolony. W analizie pominięto warstwy wykończeniowe oraz żelbetową płytę stalową, gdyż są one identyczne dla obu analizowanych stropów. W związku z tym energochłonność i wielkość emisji CO 2 związana z ich wykonaniem nie będzie miała na wybór rozwiązania korzystniejszego z uwagi na poziom oddziaływania na środowisko.

Wpływ wyboru konstrukcji stropu w szkieletowych budynkach stalowych na poziom oddziaływania 61 2.2. Masa stali dla wariantu 1 - stropu belkowo-płytowego Przyjęto, że belki stropowe wykonane będą z gorącowalcowanych dwuteowników równoległościennych IPE. Na podstawie obliczeń przeprowadzonych zgodnie z [7] ustalono wymagane przekroje belek stropowych: podciąg: IPE 500 żebro: IPE 270 Całkowita masa stali konstrukcyjnej dla stropu jednej kondygnacji wynosi 25 255,4 kg (tab. 1), co daje wskaźnik zużycia stali na poziomie 37,58 kg/m 2. 2.3. Masa stali dla wariantu 2 - stalowo-betonowego stropu zespolonego Założono tak jak dla wariantu pierwszego belki stropowe w postaci dwuteowników IPE. Zespolenie płyty z belką zapewniono za pomocą łączników sworzniowych. Na podstawie obliczeń wykonanych zgodnie z [8] ustalono wymagane przekroje belek stropowych: podciąg: IPE 180 żebro: IPE 360 łącznik sworzniowy Ø 16 o wysokości 80 mm Całkowita masa stali konstrukcyjnej dla jednej kondygnacji wynosi 14 574,5 kg (tab. 1), co daje wskaźnik zużycia stali na poziomie 21,69 kg/m 2. Tabela 1. Masa belek analizowanych stropów Typ stropu Rodzaj elementu Typ kształtownika Tradycyjny strop belkowo-płytowy Strop zespolony Masa / 1 kondygnację [kg] żebro IPE 270 13 645,8 podciąg IPE 500 11 609,6 Razem: 25 255,4 żebro IPE 180 7106,4 podciąg IPE 360 7308,8 łącznik Ø 16 159,3 Razem: 14 574,5 3. ANALIZA ENERGOCHŁONNOŚCI I EMISJI CO2 3.1. Wiadomości wstępne Istotnymi czynnikami mającymi wpływ na poziom oddziaływania na środowisko obiektu budowlanego jest energochłonność oraz wielkość emisji CO 2 związane z jego wytworzeniem. Energochłonność to ilość energii niezbędna do wytworzenia materiałów, z jakich obiekt budowlany jest wykonany, ich transportu oraz montażu. Ponieważ w niniej-

62 J. Nawrot szej pracy analizowana jest zależność między przyjętym rozwiązaniem konstrukcyjnym stropu belkowego a jego wpływem na środowisko, ograniczono się do analizy energochłonności związanej z produkcją kształtowników stalowych stanowiących belki tych stropów (płyty betonowe w takich stropach mają podobną konstrukcję i zbliżone wymiary). Energochłonność produkcji stalowej w polskim hutnictwie ciągle spada, ale pozostaje relatywnie dość wysoka w porównaniu do innych materiałów budowlanych. W 2014 r. jednostkowe zużycie energii w produkcji stali wyniosło 0,197 toe/tonę stali [2], gdzie toe to umowna jednostka energochłonności równa tonie oleju ekwiwalentnego - 1 toe odpowiada 41,86 GJ lub 11 647 kwh [3]. W związku z tym, aby ograniczyć energochłonność wykonania obiektu i tym samym koszty realizacji inwestycji, w stalowych konstrukcjach budowlanych należy dążyć do stosowania rozwiązań minimalizujących masę elementów nośnych. Wytworzenie każdego materiału budowlanego wiąże się nie tylko z zapotrzebowaniem na energię, ale także z emisją CO 2, do której dochodzi podczas jego produkcji. Zawartość dwutlenku węgla w podstawowych materiałach budowlanych przedstawiono w tabeli 2. Tabela 2. Zawartość CO 2 w podstawowych materiałach budowlanych [1] Rodzaj materiału Zawartość CO 2 [kg CO 2 /m 3 ] Stal 12 200 Beton 385 Ceramika budowlana 375 Drewno 900 Najbardziej ekologicznym materiałem jest drewno, które ma ujemną wartość emisji CO 2, co wiąże się z absorpcją dwutlenku węgla podczas wzrostu drzewa. Materiałem, którego produkcji towarzyszy największa emisja CO 2, jest stal. Z punktu widzenia ochrony środowiska powinno się dążyć do ograniczenia jej stosowania. Jednak poza konstrukcjami drewnianymi, które mają dość ograniczone zastosowanie (szczególnie w budownictwie przemysłowym), nie ma obecnie alternatywy dla stalowych wyrobów budowlanych. W obiektach, w których zastosowanie elementów stalowych jest nieodzowne, należy wybierać takie rozwiązania konstrukcyjne, które zarówno ze względów ekonomicznych, jak i ograniczenia negatywnego oddziaływania na środowisko będą najkorzystniejsze. 3.2. Określenie wielkości emisji CO2 i energochłonności Dla ustalonej na podstawie obliczeń masy belek (pkt. 2.2 i 2.3), dla rozważanych wariantów konstrukcji stropów oszacowano wielkość emisji CO 2 związanej z ich produkcją oraz energochłonność ich wytworzenia. Wielkość emisji CO 2 obliczono, dzieląc masę belek przez ciężar właściwy stali równy 7850 kg/m 3 i mnożąc przez zawartość CO 2 w 1 m 3 stali (12 200 kg CO 2 /m 3 - zgodnie z tabelą 2). Wyniki przedstawiono w tabeli 3.

Wpływ wyboru konstrukcji stropu w szkieletowych budynkach stalowych na poziom oddziaływania 63 Tabela 3. Wielkość emisji CO 2 dla belek stalowych analizowanych stropów Typ stropu Wielkość emisji CO 2 [kg CO 2 /m 3 ] Strop belkowo-płytowy 39 143,46 Strop zespolony 22 374,56 Chociaż z przyczyn wymieniowych w pkt. 2.1 w powyższej analizie nie uwzględniono żelbetowej płyty stropowej, policzono dla niej wartość emisji CO 2, aby zorientować się, jaka będzie wartość tego parametru dla kompletnej konstrukcji stropu. Obliczenia sporządzono w analogiczny sposób jak dla belek stalowych, przyjmując zawartość CO 2 w 1 m 3 betonu (385 kg CO 2 /m 3 - zgodnie z tabelą 2) i mnożąc ją przez objętość płyty dla jednej kondygnacji. Wyniki przedstawiono w tabeli 4. Tabela 4. Wielkość emisji CO 2 dla płyty stropowej Rodzaj elementu konstrukcyjnego Wielkość emisji CO 2 [kg CO 2 /m 3 ] Żelbetowa płyta stropowa 25 872,00 Energochłonność obliczono jako iloczyn masy belek stropowych i jednostkowe zużycie energii w produkcji stali równe 0,197 toe. Wyniki przeprowadzonych obliczeń dla analizowanych stropów przedstawiono w tabeli 5. Tabela 5. Wielkości emisji CO 2 oraz energochłonności dla konstrukcji analizowanych stropów Typ stropu Energochłonność [toe] Wielkość emisji CO 2 [kg CO 2 /m 3 ] Strop belkowo-płytowy 4975,31 65 015,46 Strop zespolony 2839,79 48 246,56 Nie oszacowano energochłonności wykonania płyty żelbetowej z uwagi na brak materiałów źródłowych dotyczących jednostkowego zużycia energii w produkcji betonu. Wynika to z wieloetapowego i bardziej zdecentralizowanego (niż w przypadku stali) procesu produkcji betonu, na który składa się: produkcja i transport cementu do wytwórni, wydobycie i dostawa kruszywa, wykonanie mieszanki betonowej, jej transport do miejsca zabudowania. Jednak tak jak wspomniano wcześniej, ponieważ ta sama żelbetowa płyta stropowa występuje w obu rozważanych wariantach stropów, energochłonność jej wykonania nie będzie miała wpływu na wybór rozwiązania korzystniejszego z uwagi na poziom oddziaływania na środowisko. Podane w tabeli 5 wartości energochłonności wytworzenia oraz wielkości emisji CO 2 dotyczą tylko masy belek stalowych jednej kondygnacji. Budynki

64 J. Nawrot szkieletowe z zasady są obiektami wielokondygnacyjnymi, w związku z tym wraz ze wzrostem ilości kondygnacji dysproporcja między analizowanymi wartościami dla rozważanych typów stropów będzie się pogłębiać. Na rysunkach 5 i 6 pokazano, jak zmieniają się wartości energochłonności i wielkości emisji CO 2 w zależności od ilości kondygnacji budynku. Rys. 5. Zależność między energochłonnością wytworzenia belek stropowych a liczbą kondygnacji budynku dla analizowanych stropów Rys. 6. Zależność między wielkością emisji CO 2 towarzyszącej produkcji belek stropowych a liczbą kondygnacji dla analizowanych stropów PODSUMOWANIE, WNIOSKI Biorąc pod uwagę wyniki przeprowadzonej analizy, można stwierdzić, iż najefektywniejszą (pod kątem poziomu oddziaływania na środowisko) konstrukcją stropu belkowego będzie taka, którą cechuje jak najmniejsze zużycie materiałów. W przypadku stalowo-betonowych stropów belkowych materiałem, na który należy

Wpływ wyboru konstrukcji stropu w szkieletowych budynkach stalowych na poziom oddziaływania 65 zwrócić szczególną uwagę, jest stal konstrukcyjna (płyty betonowe oraz warstwy wykończeniowe w takich stropach są podobne i mają zbliżone wymiary). Wiąże się to z wysoką energochłonnością wytworzenia wyrobów stalowych (belek stropowych) oraz bardzo dużym poziomem emisji CO 2, towarzyszącym ich produkcji (największym, spośród podstawowych materiałów budowlanych). Stropy, w których masa belek stalowych będzie jak najniższa (przy zachowaniu wymaganej nośności oraz wszystkich niezbędnych parametrów użytkowych), będą konstrukcją bardziej przyjazną dla środowiska niż analogiczne rozwiązania o większej masie stali konstrukcyjnej. Ważnym czynnikiem wspomagającym promowanie takich konstrukcji jest również aspekt ekonomiczny - koszt stalowej konstrukcji stropu jest wprost proporcjonalny do jej masy. A zatem konstrukcje lżejsze będą zarówno tańsze, jak i bardziej ekologiczne. W niniejszej pracy (zgodnie z jej tematem) skupiono się na wpływie wyboru rodzaju stropów (w szkieletowych budynkach stalowych) na poziom oddziaływania na środowisko, analizując tylko ich konstrukcję pod kątem energochłonności wykonania oraz poziomu emisji CO 2. Chcąc jednak oszacować wpływ kompleksowej realizacji całego budynku na poziom oddziaływania na środowisko, należałoby przeprowadzić szczegółowe obliczenia, uwzględniające wszystkie materiały i procesy technologiczne związane z jego budową. Przy ekologicznym podejściu do projektowania elementów konstrukcji budowlanych należy wybierać takie rozwiązania materiałowe i konstrukcyjne, których produkcja, transport i montaż w sposób neutralny, ewentualnie jak najmniej szkodliwy, oddziałuje na środowisko naturalne. Jeżeli stosowanie takich materiałów lub technologii (z różnych względów) jest niemożliwe, należy wybierać rozwiązania materiałooszczędne - mniejsza masa konstrukcji oznacza mniejszą energochłonność produkcji i niższą emisję CO 2 do środowiska. LITERATURA [1] Berge B., The Ecology of Building Materials, Oxford Architectural Press, 2001. [2] Efektywność wykorzystania energii w latach 2004-2014 GUS, Warszawa 2016, 59-60. [3] Gajdzik B., Energochłonność produkcji stali - analiza retrospektywna, Prace Instytutu Metalurgii Żelaza, 4/2016, Gliwice 2016, tom 68, 34-41. [4] Kowalczyk R., Konstrukcje zespolone w budynkach wysokich, XI Konferencja Naukowa Konstrukcje Zespolone, Oficyna Wydawnicza Uniwersytetu Zielonogórskiego, Zielona Góra 2017. [5] Kucharczuk W., Labocha S., Konstrukcje zespolone stalowo-betonowe budynków, Wydawnictwo Arkady, Warszawa 2008. [6] Łubiński M., Żółtowski W., Konstrukcje metalowe, cz. 2, Wydawnictwo Arkady, Warszawa 2008. [7] PN-EN 1993-1-1 EUROKOD 3. Projektowanie konstrukcji stalowych, Część 1-1: Reguły ogólne I reguły dla budynków, Bruksela 2006. [8] PN-EN 1994-1-1 EUROKOD 4. Projektowanie zespolonych konstrukcji stalowo-betonowych, Część 1-1: Reguły ogólne i reguły dla budynków, Bruksela 2008. [9] Szumilaga M., Pawłowski D., Zastosowanie kompozytowych prętów zbrojeniowych w konstrukcjach budowlanych, Przegląd Budowlany 2014, 3.

66 J. Nawrot THE INFLUENCE OF THE CHOICE OF CEILING CONSTRUCTION ON THE LEVEL OF ENVIRONMENTAL IMPACT In this publication, the analysis of selected types of ceilings in terms of environmental impact was created. Two different design solutions were proposed for the considered assumptions. The mass of steel beams was determined for the variants under consideration. Carbon dioxide emission and energy intensity associated with the production process of the analyzed ceilings were calculated and compared. Keywords: steel-concrete floors, energy intensity, CO 2 emission

Budownictwo o Zoptymalizowanym Potencjale Energetycznym 2(20) 2017, s. 67-74 DOI: 10.17512/bozpe.2017.2.09 Mohamed AHMAD Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa im. Prezydenta Stanisława Wojciechowskiego w Kaliszu Katedra Budownictwa WYKORZYSTANIE ODPADOWYCH POPIOŁÓW LOTNYCH DO WYTWARZANIA BETONU JAKO ELEMENT BUDOWNICTWA ZRÓWNOWAŻONEGO W artykule przedstawiono wyniki badań laboratoryjnych wpływu dodatku mineralnego popiołu lotnego krzemionkowego na właściwości betonu. Popiół lotny został zastosowany jako zamiennik spoiwa cementowego w mieszankach betonowych ze względu na swoje właściwości pucolanowe. Do badania zaprojektowano 5 mieszanek betonowych: w jednej beton kontrolny bez dodatku popiołu lotnego, zaś w pozostałych współczynnik k (popiół lotny/cement) wynosił: 0,05; 0,11; 0,18; 0,25. Jako spoiwo cementowe zastosowany został cement portlandzki CEM I 42,5 R. Wyniki przeprowadzonych badań laboratoryjnych wykazały przydatność popiołów lotnych jako zamiennika cementu w mieszankach betonowych. Słowa kluczowe: odpady przemysłowe, popiół lotny, beton, budownictwo zrównoważone WPROWADZENIE Popioły lotne należą do najważniejszych odmian mineralnych surowców odpadowych zarówno w Polsce, jak i na świecie. Wytwarzane są w bardzo dużych ilościach i w znacznej części zostają składowane [1]. Powstają w przemyśle energetycznym, gdzie główne paliwa stanowią węgiel kamienny i brunatny. Ponad 80% mocy systemu energetycznego pochodzi z paliw stałych, z czego aż 55% z elektrowni użytkujących węgiel kamienny [2]. Rocznie w Polsce powstaje około 20 mln ton odpadów energetycznych [3]. Według danych statystycznych w Polsce w 2007 roku wyprodukowano ponad 17 milionów ton ubocznych produktów spalania, w tym prawie 5 milionów ton popiołu lotnego. Sposoby wykorzystywania popiołu lotnego nie różnią się istotnie w różnych regionach świata. W Polsce niewykorzystana część popiołu jest gromadzona na składowiskach, co także ma wpływ na zanieczyszczenie środowiska, zwłaszcza na jego zapylenie oraz emisję rozpuszczalnych składników do wód gruntowych [4]. Problemem są znaczne ilości już nagromadzonych popiołów lotnych tworzących zwałowiska o łącznej masie 278,7 mln ton [5]. Zasadniczo popiół lotny wykorzystywany jest w inżynierii lądowej - do budowy dróg i do celów rekultywacji terenów - w górnictwie oraz

68 M. Ahmad w mniejszym zakresie w rolnictwie i leśnictwie. Używany jest również jako surowiec do produkcji cementu i materiałów budowlanych. Obecnie poziom wykorzystania odpadów ze spalania paliw stałych jest wysoki i przekracza 70%, przy czym jest bardzo zróżnicowany dla różnych grup odpadów [6]. O możliwości ich zagospodarowania decyduje skład chemiczny i mineralogiczny, który w głównej mierze zależy od składu chemicznego spalanych węgli, warunków spalania oraz typów palenisk [7]. 1. PRODUKCJA BETONÓW Z DODATKIEM POPIOŁU LOTNEGO Współczesny beton coraz rzadziej jest tylko mieszaniną trzech podstawowych składników - cementu, kruszyw i wody. Coraz częściej jest mieszaniną wieloskładnikową, w skład której wchodzą jeszcze domieszki chemiczne i dodatki mineralne. Do najczęściej stosowanych dodatków należą popioły lotne krzemionkowe, których właściwe stosowanie w technologii betonu wpisuje się w strategię zrównoważonego rozwoju. Dodatek ten pozwala na optymalizację zużycia cementu, w efekcie czego obniża się emisja CO 2 i zużycie naturalnych surowców kopalnych do produkcji klinkieru cementowego [8]. Wykorzystanie popiołów lotnych do wytwarzania betonów niesie wiele korzyści ekologicznych i ekonomicznych, do których należy także możliwość oszczędzania energii, zagospodarowania odpadów przemysłowych oraz uzyskiwania materiałów finalnych o zmodyfikowanych właściwościach [9]. Popioły lotne jako składnik betonu powodują obniżenie zapotrzebowania na wodę i poprawiają urabialność mieszanki betonowej dzięki kulistemu kształtowi ich cząsteczek. Zmieniona dyspersja cząstek cementu ma wpływ na mikrostrukturę zaczynu, najbardziej na rozmieszczenie porów oraz na ich rozmiar. Przy mniejszym rozmiarze porów przepuszczalność zaczynu jest niższa. Popiół lotny dzięki właściwościom pucolanowym oraz zdolności dopasowania się mniejszych cząstek pomiędzy cząstki cementu podwyższa wytrzymałość betonu. Ma również wpływ na polepszenie odporności betonu na czynniki agresywne [10]. Do wytwarzania betonów konstrukcyjnych powinny być stosowane wyłącznie popioły lotne posiadające właściwości pucolanowe i niewykazujące strat prażenia większych niż 5%. Dzięki zastosowaniu popiołu lotnego obniża się również zużycie cementu, co powoduje zmniejszenie kosztów produkcji betonu. Popioły lotne stosowane są także do produkcji betonów komórkowych. W tym przypadku muszą one spełniać podobne wymagania jak przy ich stosowaniu do wytwarzania cementów [11]. Maksymalna ilość popiołu stosowna do produkcji betonu jest zdefiniowana przez normę [12]. Powinna ona spełniać warunek: popiół lotny/cement 0,33 (masowo). Dane statyczne wykazują, że w Polsce wykorzystuje się rocznie do produkcji betonów zwykłych około 200 tys. ton popiołów lotnych [13]. Są to prawie wyłącznie popioły lotne krzemionkowe ze spalania węgla kamiennego. Popioły lotne wapienne mogą również być stosowane do produkcji betonów, pod warunkiem że ich parametry jakościowe są stabilne [14].

Wykorzystanie odpadowych popiołów lotnych do wytwarzania betonu 69 2. MATERIAŁY UŻYTE W BADANIACH LABORATORYJNYCH Do badań laboratoryjnych użyto cementu CEM I 42,5 R [15]. Do sporządzenia mieszanek betonowych zastosowane zostały kruszywa spełniające wymagania normy [16]. Do mieszanek betonowych użyto wody pobranej z wodociągu. Spełnia ona wymagania normy [17]. Jako dodatek mineralny do mieszanek betonowych użyto popiołu lotnego krzemionkowego, spełniającego wymagania normy [18]. Do najważniejszych deklarowanych właściwości użytkowych popiołu lotnego należą straty prażenia 5,0% (kategoria A). 3. ZAŁOŻENIA DO PROJEKTU MIESZANKI BETONOWEJ W tabeli 1 podane są założenia do projektu mieszanki betonowej. Tabela 1. Założenia do projektu mieszanki betonowej Klasa ekspozycji Rodzaj betonu Właściwości projektowanego betonu XC1 Klasa wytrzymałości betonu C20/25 Konsystencja mieszanki betonowej Opad stożka Abramsa [mm] 100 150 S3 Zgodnie z normą [12] Do badań laboratoryjnych sporządzono 5 zarobów. Dodatek popiołu lotnego w mieszankach betonowych stosowany został jako zamiennik spoiwa cementowego, a jego zawartość wynosiła 5%, 10%, 15% i 20%, zaś współczynnik k (popiół lotny/cement) wynosił: 0,05; 0,11; 0,18; 0,25. Składniki na 1 m 3 mieszanki betonowej po uwzględnieniu wilgotności kruszywa zostały podane w tabeli 2. Tabela 2. Dobór składników na 1 m 3 mieszanki betonowej Składniki Ilość składników na 1 m 3 [kg] B1 B2 B3 B4 B5 CEM I 42,5 R 346,00 328,70 311,40 294,10 276,80 Kruszywo: piasek 0 4 mm gabro 4 16 mm 1864,26 635,54 1228,72 Popiół lotny 17,30 34,60 51,90 69,20 k = popiół lotny/cement 0,00 0,05 0,11 0,18 0,25 Woda zarobowa 184,00 174,21 165,04 155,87 146,70 Stosunek w/c 0,53 0,53 0,53 0,53 0,53 Stosunek w/s 0,53 0,50 0,48 0,45 0,42

70 M. Ahmad 4. BADANIA BETONU 4.1. Konsystencje mieszanek betonowych Do oznaczania konsystencji mieszanek betonowych spośród kilku metod wybrano metodę opadu stożka zgodnie z normą [19]. Wyniki badań laboratoryjnych konsystencji poszczególnych mieszanek betonowych przedstawiono na rysunku 1. Wykazują one, że dodatek popiołu lotnego krzemionkowego poprawia urabialność i zwiększa ich płynność. Umożliwia to zmniejszenie stosunku wodno-cementowego wraz ze wzrostem zawartości popiołu lotnego w mieszankach betonowych jako zamiennika cementu. Rys. 1. Konsystencje mieszanek betonowych 4.2. Nasiąkliwość betonu Do badania nasiąkliwości wykonano po 3 próbki z każdego zarobu o wymiarach 150x150x150 mm zgodnie z normą [20]. Badanie wykonano po 28 dniach dojrzewania betonu. Na podstawie otrzymanych wyników badań można stwierdzić, że dodatek popiołu lotnego zmniejsza nasiąkliwość próbek betonowych. Największą nasiąkliwość - 7,26% - wykazał beton kontrolny, a najmniejszą beton z największą zawartością popiołu lotnego w mieszance betonowej - 20% (k = 0,25). Nasiąkliwość wszystkich betonów mieści się w przedziale 5 9%. Obniżenie nasiąkliwości betonu z dodatkiem popiołu lotnego jest efektem zmniejszenia ilości porów poprzez zdolność małych cząstek popiołu do wypełnienia przestrzeni między cząstkami cementu w mieszankach betonowych. 4.3. Gęstość betonu Badanie gęstości betonu wykonano zgodnie z normą [21]. Objętości próbek betonowych określono za pomocą pomiarów nominalnych. Próbki betonowe przeznaczone do badania zostały wykonane zgodnie z wymaganiami normy [20]. Do oznaczanie gęstości betonu w stanie wysuszonym próbki wysuszono do stałej

Wykorzystanie odpadowych popiołów lotnych do wytwarzania betonu 71 masy w suszarce z obiegiem powietrza w temperaturze 105±5 C. Do zbadania gęstości betonu w stanie nasyconym próbki betonowe przez 72 godzin trzymano w wodzie o temperaturze 20±2 C. Wyniki badania gęstości próbek betonowych w stanie wysuszonym i w stanie nasyconym wodą podane są w tabeli 3. Tabela 3. Gęstość betonu w stanie wysuszonym i w stanie nasyconym wodą Beton Masa próbki w stanie wysuszonym [kg] Gęstość próbek w stanie wysuszonym [kg/m 3 ] Masa próbki w stanie nasyconym wodą [kg] Gęstość próbek w stanie nasyconym wodą [kg/m 3 ] B1 7,808 2313,383 8,374 2481,284 B2 7,753 2297,284 8,261 2447,605 B3 7,782 2287,967 8,222 2436,049 B4 7,761 2299,654 8,187 2425,679 B5 8,039 2382,025 8,477 2511,605 Na podstawie uzyskanych wyników badań gęstości betonu można stwierdzić, że wszystkie próbki betonowe zarówno betonu kontrolnego, jak i betonów z dodatkiem popiołu lotnego zgodnie z normą [12] można zaliczyć do betonów zwykłych. Gęstość w stanie wysuszonym wynosi 2287,967 2382,025 kg/m 3 i mieści się w przedziale > 2000 kg/m 3 i 2600 kg/m 3 (beton zwykły). 4.4. Wytrzymałość na ściskanie betonu Badania wytrzymałości na ściskanie betonu wykonano na próbkach sześciennych o wymiarach 150x150x150 mm. Wyniki badania wytrzymałości na ściskanie próbek betonowych po 28 dniach dojrzewania graficznie przedstawione są na rysunku 2. Klasyfikacja betonu pod względem jego wytrzymałości na ściskanie dokonuje się zgodnie z normą [20]. Podstawę klasyfikacji stanowi wytrzymałość charakterystyczna na ściskanie określona po 28 dniach dojrzewania na próbkach sześciennych o boku 150 mm. W tabeli 4 określone zostały klasy wytrzymałości betonu na ściskanie. 30,0 29,5 Wytrzymałość [MPa] 29,0 28,5 28,0 27,5 27,0 B1 B2 B3 B4 B5 Rys. 2. Wytrzymałość na ściskanie próbek betonowych po 28 dniach dojrzewania

72 M. Ahmad Tabela 4. Określenie klasy wytrzymałości betonu na ściskanie Beton Projektowana klasa Wytrzymałość na ściskanie [MPa] Próbka 1 Próbka 2 Próbka 3 Średnia Klasa betonu B1 C20/25 27,137 28,822 29,826 28,60 C16/20 B2 C20/25 27,285 27,693 29,331 28,10 C16/20 B3 C20/25 28,312 28,031 27,850 28,06 C16/20 B4 C20/25 29,026 29,662 29,011 29,23 C20/25 B5 C20/25 27,248 30,223 31,303 29,59 C20/25 Na podstawie danych zawartych w tabeli 4 można stwierdzić, że B1 - beton kontrolny - oraz betony z dodatkiem popiołu lotnego w ilości 5% (B2) i 10% (B3) w stosunku do masy cementu nie uzyskały zakładanej klasy wytrzymałości. Klasyfikują się one do niższej klasy wytrzymałości - C16/20. Betony z dodatkiem popiołu lotnego w stosunku 15% (B4) i 20% (B5) do masy cementu wykazały wyższą wytrzymałość i zaklasyfikowane zostały do zakładanej - C20/25. Wszystkie betony wykazały przybliżone wytrzymałości na ściskanie po 28 dniach dojrzewania, a różnica pomiędzy największą wytrzymałością - 29,59 MPa (B5) - a wytrzymałością betonu kontrolnego - 28,60 MPa (B1) - wyniosła 0,99 MPa (3,46%). Zbliżona wytrzymałość na ściskanie betonu kontrolnego i betonów, w których cement został zastąpiony popiołem lotnym, wynika ze zmniejszania stosunku wodno-cementowego wraz ze wzrostem zawartości popiołu lotnego w mieszankach betonowych. Mała wodożądność stosowanego popiołu lotnego wynika z faktu, że posiada on straty prażenia mniejsze niż 5% i dominują w nim ziarna sferyczne o mało rozwiniętej powierzchni. Betony B2 i B3 wykazały niższe wytrzymałości od betonu kontrolnego o 1,75 1,89%. Mając na uwadze fakt, że betony z dodatkiem popiołu lotnego mają wolny przyrost wytrzymałości na ściskanie w początkowym okresie twardnienia, to wytrzymałość tych betonów po okresie 90 dni twardnienia będzie znacznie większa od wytrzymałości betonu kontrolnego po 28 dniach dojrzewania. WNIOSKI Na podstawie uzyskanych wyników badań laboratoryjnych można wnioskować, że: wytrzymałość na ściskanie betonu z dodatkiem popiołu lotnego jako zamiennika cementu zależy od wielu czynników, do których należy m.in. współczynnik wodno-cementowy, zastąpienie cementu popiołem lotnym w mieszankach betonowych w przedziale k = 0,05 0,25 nie ma znacznego wpływu na kształtowanie wytrzymałości na ściskanie modyfikowanego betonu, kształtowanie wytrzymałości na ściskanie betonu zależy od ilości popiołu lotnego zastępującego cement,

Wykorzystanie odpadowych popiołów lotnych do wytwarzania betonu 73 na kształtowanie wytrzymałości na ściskanie betonu mają również wpływ właściwości popiołów lotnych stosowanych w mieszankach betonowych, popioły lotne krzemionkowe są przydatne jako dodatki mineralne do wytwarzania betonów zwykłych, wykorzystanie i zagospodarowanie popiołów lotnych w przemyśle materiałów budowlanych ogranicza ich negatywny wpływ na środowisko naturalne. LITERATURA [1] Baliński A., Recykling odpadowych popiołów lotnych powstających ze spalania węgla kamiennego, w aspekcie wytwarzania mas formierskich, Prace Instytutu Odlewnictwa, XLVIII(3), Kraków 2008, 5-8. [2] Banaszkiewicz K., Marcinkowski T., Stosowanie popiołów lotnych odpadów flotacyjnych do zestalania odpadów zawierających metale ciężkie, Infrastruktura i Ekologia Terenów Wiejskich, 7, Polska Akademia Nauk, Oddział w Krakowie, Kraków 2008, 19-29. [3] GUS: Ochrona środowiska 2007, Warszawa 2007. [4] Żygadło M., Seweryn A., Woźniak M., Synteza zeolitów na bazie popiołów lotnych z wybranych instalacji odzysku ciepła, Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, 12(1), 2010, 15-26. [5] Rocznik statystyczny GUS, Główny Urząd Statystyczny Rzeczypospolitej Polskiej, Warszawa 2008. [6] Galos K., Uliasz-Bocheńczyk A., Źródła i użytkowanie popiołów lotnych ze spalania węgli w Polsce, Gospodarka Surowcami Mineralnymi 2005, 21(1). [7] Suchecki T., Zeolity z popiołów lotnych. Otrzymywanie i aplikacje w inżynierii środowiska, Wydawnictwo: Zakład Narodowy im. Ossolińskich, Wrocław 2005. [8] Giergiczny Z., Popiół lotny składnikiem betonu - normalizacja i praktyka, Technologie, styczeń- -marzec 2009, 40-43. [9] Kubissa W. i in., Badanie właściwości betonów cementowych wykonanych z udziałem odpadów przemysłowych, Konstrukcje - Elementy - Materiały, Przegląd Budowlany 2013, 1, 35-39. [10] Piasta J., Piasta W.G., Beton zwykły, Wyd. Arkady, Warszawa 1994. [11] Giergiczny Z., Gawlicki M., Popiół lotny jako aktywny składnik cementów i dodatek mineralny do betonu, Mat. Konf. Dni Betonu, Wisła 2004, 277-294. [12] PN-EN 206:2014, Beton - Wymagania, właściwości, produkcja i zgodność. [13] Brylska E., Dyczek J., Gawlicki M., Wykorzystanie odpadów w przemyśle materiałów budowlanych, Karbo 2002, 3. [14] Garbacik A., Chłądzyński S., Baran T., Właściwości betonu z cementów zawierających popioły lotne wapienne, Mat. Międzynarodowej Konferencji Ekologiczno-energetyczne kierunki rozwoju przemysłu materiałów budowlanych, Lądek-Zdrój 2001. [15] PN-EN 197-1:2012, Cement. Część 1. Skład, wymagania i kryteria zgodności dotyczące cementów powszechnego użytku, 2012. [16] PN-EN 12620+A1:2010, Kruszywa do betonu, 2010. [17] PN-EN 1008:2004, Woda zarobowa do betonu. Specyfikacja pobierania próbek, badanie i ocena przydatności wody zarobowej do betonu, w tym wody odzyskanej z procesów produkcji betonu, 2004. [18] PN-EN 450-1:2012, Popiół lotny do betonu - Część 1: Definicje, specyfikacje i kryteria zgodności, 2012. [19] PN-EN 12350-2:2011, Badania mieszanki betonowej. Część 2: Badanie konsystencji metodą opadu stożka, 2011.

74 M. Ahmad [20] PN-EN 12390-1:2013-03, Badania betonu. Część 1: Kształt, wymiary i inne wymagania dotyczące próbek do badań i form, 2013. [21] PN-EN 12390-7:2011, Badanie betonu. Część 7: Gęstość betonu, 2011. USE OF FLY ASH FOR PRODUCTION OF CONCRETE AS AN ELEMENT OF SUSTAINABLE CONSTRUCTION In the article the results of laboratory research on influence of addition of mineral siliceous fly ash on concrete s properties were presented. Fly ash has been used as a substitute of cement binder in concrete compounds because of it s Pozzolanic properties. For research 5 cement compounds were designed: in one control concrete without the addition of fly ash, in the rest the k factor (fly ash/cement) stood at: 0,05; 0,11; 0,18; 0,25. As a cement binder, Portland cement CEM I 42,5 R was used. The results of the laboratory tests have shown the usefulness of fly ash as a substitute for cement in concrete mixes. Keywords: industrial waste, fly ash, concrete, sustainable construction

Budownictwo o Zoptymalizowanym Potencjale Energetycznym 2(20) 2017, s. 75-82 DOI: 10.17512/bozpe.2017.2.10 Klaudia URBAŃSKA SKN BioEnergia, Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu Wydział Przyrodniczo-Technologiczny Arkadiusz DYJAKON Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu Wydział Przyrodniczo-Technologiczny WPŁYW RODZAJU STOLARKI OKIENNEJ NA OPŁACALNOŚĆ INWESTYCJI W BUDOWNICTWIE ENERGOOSZCZĘDNYM Wzrost zainteresowania zagadnieniami ochrony środowiska, ograniczenia emisji zanieczyszczeń do atmosfery, a zwłaszcza poprawy efektywności energetycznej budynków doprowadziły do intensywnego rozwoju technologii materiałowej oraz rozwiązań konstrukcyjnych. Jedną z dynamicznie rozwijających się gałęzi przemysłu jest branża zajmująca się stolarką okienną. Niestety, nowe technologie wymagają często wysokich nakładów inwestycyjnych. W pracy przedstawiono zależność między rodzajem stolarki okiennej a efektem ekonomicznym i środowiskowym. Porównano różne typy i klasy stolarki okiennej w kontekście ich wpływu na współczynnik zapotrzebowania na energię pierwotną przez budynek oraz efektywność ekonomiczną. Wykazano, że na okres zwrotu inwestycji w stolarkę okienną wpływa nie tylko nakład inwestycyjny, ale również rodzaj źródła energii dla systemu grzewczego w budynku. Okres zwrotu inwestycji może wynieść od kilku do nawet kilkudziesięciu lat. Słowa kluczowe: efektywność energetyczna, budownictwo niskoenergetyczne, stolarka okienna, współczynnik przenikania ciepła WPROWADZENIE Obecnie jednym z głównych wyzwań szeroko rozumianej polityki energetycznej jest globalne zmniejszenie zapotrzebowania na energię. Wynika to z obserwowanego stopniowego wyczerpywania się łatwo dostępnych złóż paliw kopalnych przy jednoczesnym wysokim światowym przyroście naturalnym oraz konieczności ochrony środowiska i zapewnienia bezpieczeństwa energetycznego większości państw. Wśród wielu możliwości poprawy wskaźnika wykorzystania energii pierwotnej można wymienić przede wszystkim zwiększenie udziału odnawialnych źródeł energii w bilansie energetycznym oraz poprawę efektywności energetycznej również w budownictwie mieszkaniowym. Państwa członkowskie Unii Europejskiej (UE) są do tego szczególnie zobligowane w świetle obowiązujących przepisów i dyrektyw unijnych, które zakładają zmniejszenie finalnego zużycia energii o 20% do końca 2020 roku w wyniku działań poprawiających efektywność energetyczną [1].

76 K. Urbańska, A. Dyjakon 1. EFEKTYWNOŚĆ ENERGETYCZNA Ustawa o efektywności energetycznej z 20 maja 2016 roku definiuje efektywność energetyczną (EE) jako stosunek uzyskanej wielkości efektu użytkowego do ilości zużytej energii na dany proces lub urządzenie [2]. Natomiast Rozporządzenie Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z 2013 roku określa wymagania dotyczące m.in. izolacyjności cieplnej związanej z oszczędnością energii, a zatem wymagania służące osiągnięciu wysokiej efektywności energetycznej budynków [3], tzw. Warunki Techniczne (WT). Istotnymi parametrami mającymi wpływ na EE budynku są współczynniki przenikania ciepła ścian i przegród specyficznych, tj. drzwi i okien. Współczynnik przenikania ciepła U jest podstawowym parametrem pozwalającym określić straty ciepła przez przegrody w budynku. W przypadku stolarki okiennej współczynnik wpływa nie tylko na wysokość strat ciepła przez przegrodę, ale także na wielkość zysków ciepła przenikającego przez szyby. Im niższy współczynnik przenikania ciepła, tym mniejsze straty ciepła oraz zyski od promieniowania słonecznego. Ważne jest znalezienie równowagi, by uniknąć sytuacji przegrzewania budynków w lecie, ale także maksymalnie wykorzystać zyski ciepła w sezonie grzewczym. Istotną rolę odgrywają także powłoki niskoemisyjne pokrywające szkło, które w sposób selektywny przepuszczają promieniowanie cieplne, pozwalając przez to uzyskać maksymalne zyski z promieniowania słonecznego przy jednoczesnym ograniczaniu strat cieplnych. 2. PRZEGRODY SPECYFICZNE W celu osiągnięcia Warunków Technicznych bardzo istotne jest zwrócenie uwagi na parametry techniczne i właściwości fizyczne wszystkich elementów mających wpływ na zapotrzebowanie energetyczne budynku. Jednym z nich są przegrody specyficzne. Producenci stolarki okiennej i drzwiowej oferują produkty o dużo lepszych współczynnikach przenikania ciepła niż te prawnie wymagane. Jednak lepsze parametry wiążą się ze znacznie wyższymi nakładami inwestycyjnymi, które niwelują późniejsze oszczędności. Z tego względu bardzo istotne jest osiągnięcie równowagi oraz optymalny dobór technologii i produktów. Celem pracy jest analiza zastosowania trzech typów stolarki okiennej uwzględniająca ich wpływ na koszty eksploatacyjne (potencjalne oszczędności) oraz konieczne nakłady inwestycyjne. 3. METODYKA OBLICZEŃ Symulację obliczeniową przeprowadzono dla budynku jednorodzinnego. Parametry budynku przedstawiono w tabeli 1. Zgodnie z [4], określono zapotrzebowanie na energię w budynku oraz obliczono wysokość strat ciepła przez przegrody zewnętrzne i wentylację, a także wewnętrzne zyski ciepła i zyski od promieniowa-

Wpływ rodzaju stolarki okiennej na opłacalność inwestycji w budownictwie energooszczędnym 77 nia słonecznego. W efekcie określono wskaźniki zapotrzebowania na energię użytkową (EU), energię końcową (EK) i energię pierwotną (EP). Następnie na podstawie wskaźników zapotrzebowania na energię wyznaczono roczną ilość energii na potrzeby ogrzewania i wentylacji w odniesieniu do 1 m 2 powierzchni [4]. Tabela 1. Parametry budynku Parametr Jednostka Wartość Powierzchnia brutto/użytkowa budynku m 2 210/180 Kubatura netto/brutto m 3 522/672 Powierzchnia okien m 2 50,4 Liczba osób 5 Wyliczenie wyjściowego zapotrzebowania na energię pierwotną EP przeprowadzono przy założeniu standardowego parametru okien o współczynniku U W = 1,3 W m 2 K 1 (wariant podstawowy), a następnie porównano wyniki uzyskane w obliczeniach przy założeniu okien dwukomorowych (wariant I), trzykomorowych (wariant II) oraz pasywnych (wariant III). Parametry okien zestawiono w tabeli 2. Wartości EP podano w tabeli 5. Tabela 2. Parametry okien [5-8] Warianty Model okna Współczynnik przenikania ciepła U W [W m 2 K 1 ] Podstawowy Avantgarde700 1,3 Okna małe Wymiary [m] Okna duże Okna małe Cena [zł szt 1 ] Okna duże 644 986 Wariant I BluEvolution 0,84 1,2x 2,1x 814 1458 Wariant II Adams Passiv Line Plus 0,7 1,5 1,5 986 1746 Wariant III Iglo ENERGY 0,6 1096 1910 Tabela 3. Parametry paliw i energii elektrycznej Parametr Jednostka Węgiel - - ekogroszek Olej opałowy Gaz ziemny Energia elektryczna Wartość opałowa MJ kg 1 22,61 40,4 42,3 Gęstość paliwa kg m 3 800 860 0,74 Sprawność systemu grzewczego % 70 90 90 99 Koszt ciepła gr kwh 1 10,03 37,69 22 55 W następnym kroku porównano wielkość zapotrzebowania na energię pierwotną EP w zależności od rodzaju okna o tych samych wymiarach w stosunku do okna standardowego jednokomorowego. W efekcie obliczono koszty ogrzewania przy

78 K. Urbańska, A. Dyjakon zastosowaniu różnych źródeł ciepła i omówiono ich wpływ na opłacalność inwestycji. Ceny paliw wraz z ich parametrami zestawiono w tabeli 3. Wyliczone wartości EP posłużyły do wyliczenia poziomu oszczędności w zależności od zużycia źródła ciepła na cele energetyczne zgodnie ze wzorem: K U = EP C P (1) gdzie: K U - koszty uniknięte (oszczędności z modernizacji) [zł rok 1 ], EP - różnica współczynnika zapotrzebowania na energię pierwotną między budynkiem przed i po modernizacji [kwh m 2 rok 1 ], C - koszt ciepła [gr kwh 1 ], P - powierzchnia budynku [m 2 ]. W rezultacie określono prosty okres zwrotu inwestycji w zależności od źródła energii w budynku. Obliczenia przeprowadzono zgodnie ze wzorem: K I SPBT= (2) KU gdzie: SPBT - prosty okres zwrotu inwestycji [lata], K I - koszty inwestycyjne (koszt modernizacji) [zł], K U - koszty uniknięte (oszczędności z modernizacji) [zł rok 1 ]. W celu określenia efektu środowiskowego wyliczono wielkość emisji unikniętej CO 2 w zależności od zastosowanego źródła ciepła oraz wariantu modernizacji. Wskaźniki emisji zostały przyjęte na podstawie danych udostępnionych przez Krajowy Ośrodek Bilansowania i Zarządzania Emisjami. Wartości wskaźników emisji dla poszczególnych paliw oraz energii elektrycznej zestawiono w tabeli 4. Tabela 4. Wskaźniki emisji i wartości opałowe dla wybranych źródeł energii [9, 10] Rodzaj źródła energii Wartość opałowa [MJ kg 1 ] Wskaźnik emisji WE CO2 [kg GJ 1 ] Węgiel - ekogroszek 22,61 94,73 Gaz ziemny 42,3 73,30 Olej opałowy 40,4 77,40 Energia elektryczna 229,28 * * wskaźnik emisji dla energii elektrycznej z uwzględnieniem strat wynosi 825,412 kgco 2 (MWh) 1 [10] Obliczenie wielkości emisji unikniętej przeprowadzono zgodnie ze wzorem: ECO2 CO2 = WE EP (3) gdzie: E CO 2 - wielkość emisji w zależności od źródła ciepła [kg rok 1 ], WE CO 2 - wskaź- nik emisji w zależności od źródła ciepła [kg GJ 1 ].

Wpływ rodzaju stolarki okiennej na opłacalność inwestycji w budownictwie energooszczędnym 79 4. WYNIKI I DYSKUSJA Na podstawie obliczeń charakterystyk energetycznych budynku obliczono współczynniki zapotrzebowania na energię pierwotną EP dla wszystkich wariantów. Wartości współczynników EP oraz wartości EP odnoszącej się do wariantu podstawowego zestawiono w tabeli 5. Tabela 5. Wartości współczynników EP i EP dla budynku w zależności od zastosowanego rodzaju okna [opracowanie własne] Warianty EP [kwh m 2 rok 1 ] EP [kwh m 2 rok 1 ] Podstawowy 96,6 0 Wariant I 80,9 15,7 Wariant II 76,3 20,4 Wariant III 72,9 23,6 Z tabeli 5 wynika, że współczynnik przenikania ciepła U w ma wpływ na współczynnik zapotrzebowania na energię pierwotną EP, co sprawia, że okna o niższym współczynniku U W obniżają ilość strat ciepła w budynku. Koszty inwestycyjne oraz prosty okres zwrotu z inwestycji dla każdego z wariantów zestawiono w tabeli 6. Tabela 6. Koszty inwestycyjne oraz SPBT dla różnych wariantów w zależności od źródła ciepła [opracowanie własne] Warianty Wariant I Wariant II Wariant III Źródło ciepła Koszty uniknięte [zł rok 1 ] Węgiel - ekogroszek 283 Koszt inwestycyjny [zł] SPBT [lata] Gaz ziemny 621 29 17 532 Olej opałowy 1063 17 Energia elektryczna 1552 12 Węgiel - ekogroszek 367 Gaz ziemny 806 27 21 096 Olej opałowy 1381 16 Energia elektryczna 2015 11 Węgiel - ekogroszek 427 Gaz ziemny 937 24 23 234 Olej opałowy 1605 15 Energia elektryczna 2342 10 62 58 55 Porównanie wariantów pod względem nakładów inwestycyjnych oraz oszczędności w wyniku modernizacji przedstawiono na rysunkach 1-3. Na podstawie analizy wyników zawartych w tabeli 6 oraz rysunków 1-3 można stwierdzić, że zasto-

80 K. Urbańska, A. Dyjakon sowanie okien o niższym współczynniku przenikania ciepła wpływa na obniżenie kosztów eksploatacyjnych budynku. W konsekwencji okna energooszczędne, mimo wyższych nakładów inwestycyjnych, mają krótszy okres zwrotu od rozwiązań standardowych. Okres zwrotu, w zależności od zastosowanego rozwiązania i źródła ciepła w budynku, wynosi od 10 lat (dla źródła ciepła w postaci energii elektrycznej i wariantu III) do nawet 62 lat (dla źródła ciepła w postaci węgla i wariantu I). Rys. 1. Nakłady inwestycyjne oraz koszty uniknięte dla wariantu I Rys. 2. Nakłady inwestycyjne oraz koszty uniknięte dla wariantu II Rys. 3. Nakłady inwestycyjne oraz koszty uniknięte dla wariantu III

Wpływ rodzaju stolarki okiennej na opłacalność inwestycji w budownictwie energooszczędnym 81 Porównanie zaproponowanych wariantów wykazało, że najlepszym rozwiązaniem pod względem ekonomicznym są okna w wariancie III, które mają korzystny stosunek między wysokością nakładów inwestycyjnych a kosztami eksploatacyjnymi budynku. Pomimo że różnica między wariantem II a III pod względem wysokości nakładów inwestycyjnych to 2138 zł na korzyść wariantu II, to okres zwrotu jest krótszy dla wariantu III. Analiza wskaźnika emisji unikniętej CO 2 (tab. 7) wykazała, że największy efekt środowiskowy uzyskany jest dla energii elektrycznej jako czynnika grzewczego. Wynika to z niskiej sprawności wytwarzania energii elektrycznej w elektrowniach konwencjonalnych spalających węgiel, która w gospodarstwie domowym zamieniana jest ponownie na ciepło. Jest to nieefektywny sposób ogrzewania domu pod względem środowiskowym. Z kolei, najmniejszą wartość emisji unikniętej uzyskano dla gazu ziemnego (około trzy razy mniej w odniesieniu do energii elektrycznej), co związane jest z faktem, że gaz ziemny jest paliwem stosunkowo ekologicznym o niewielkiej emisji CO 2 do atmosfery. W przypadku oleju opałowego wskaźnik emisji unikniętej CO 2 jest nieznacznie wyższy od wskaźnika dla gazu ziemnego. Tabela 7. Wielkości emisji CO 2 w zależności od paliwa i zastosowanego rozwiązania [opracowanie własne] Warianty Wariant I Wariant II Wariant III Paliwo Wskaźnik emisji WE CO2 [kg GJ 1 ] Węgiel - ekogroszek 94,7 EP [kwh m 2 rok 1 ] Wielkość emisji unikniętej E CO2 [kg CO2 m 2 rok 1 ] 5,33 Gaz ziemny 73,3 4,14 15,68 Olej opałowy 77,4 4,39 Energia elektryczna 229,28 12,94 Węgiel - ekogroszek 94,7 6,94 Gaz ziemny 73,3 5,29 20,35 Olej opałowy 77,4 5,70 Energia elektryczna 229,28 16,80 Węgiel - ekogroszek 94,7 8,04 Gaz ziemny 73,3 6,15 23,66 Olej opałowy 77,4 6,62 Energia elektryczna 229,28 19,53 Porównując zaproponowane warianty pod względem ekonomicznym i środowiskowym najlepszym rozwiązaniem są okna w wariancie III w przypadku ogrzewania energią elektryczną. Takie rozwiązanie pozwala na osiągnięcie relatywnie krótkiego okresu zwrotu z inwestycji przy jednocześnie najwyższym wskaźniku unikniętej emisji CO 2 do atmosfery (niższego obciążenia środowiska).

82 K. Urbańska, A. Dyjakon WNIOSKI Z przeprowadzonej analizy wynika, że zastosowanie okien o niższym współczynniku przenikania ciepła tylko nieznacznie wpływa na charakterystykę energetyczną budynku, co przekłada się na niski poziom oszczędności oraz długi okres zwrotu inwestycji. Stwierdzono, że inwestowanie w energooszczędną stolarkę okienną jest najbardziej opłacalne przy ogrzewaniu energią elektryczną. Dodatkowo, analiza wielkości emisji unikniętej wykazała największy potencjał ograniczenia CO 2 przy tym rozwiązaniu. Należy pamiętać, że każde działania sprzyjające zmniejszeniu zanieczyszczenia środowiska i redukcji emisji CO 2 przyczyniają się do ochrony środowiska i poprawy komfortu życia ludzi, co powinno być uwzględniane podczas procesu decyzyjnego o planowanych inwestycjach. LITERATURA [1] Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2012/27/UE z dnia 25 października 2012 r. w sprawie efektywności energetycznej. [2] Ustawa z dnia 20 maja 2016 r. o efektywności energetycznej. [3] Rozporządzenie MTBiGM z dnia 5 lipca 2013 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie. [4] Rozporządzenie MIiR z dnia 27 lutego 2015 w sprawie metodologii wyznaczania charakterystyki energetycznej budynku lub części budynku oraz świadectw charakterystyki energetycznej. [5] http://oknacennik.pl/okna.php?ceny=dobroplast_avantgarde_7000 [6] http://oknacennik.pl/okna.php?ceny=bluevolution [7] http://oknacennik.pl/okna.php?ceny=iglo_energy [8] http://oknacennik.pl/okna.php?ceny=passiv_line [9] http://www.kobize.pl/uploads/materialy/materialy_do_pobrania/monitorowanie_raportowanie_ weryfikacja_emisji_w_eu_ets/wo_i_we_do_stosowania_w_she_2016.pdf [10] http://www.kobize.pl/uploads/materialy/materialy_do_pobrania/wskazniki_emisyjnosci/160616 _WSKAZNIKI_CO2.pdf INFLUENCE OF THE WINDOW TYPE ON THE PROFITABILITY OF INVESTMENTS IN ENERGY-EFFICIENT BUILDING CONSTRUCTION Increased interest in environmental protection issues, reduction of pollutants emission to the atmosphere, and in particular the improvement of the energy efficiency of buildings has led to the intensive development of material technology and constructional solutions. One of the fastest growing industries is the one engaged in providing new window technologies. Unfortunately, a new technologies are often related to very high investment costs. The paper shows the relationship between the type of the window and the economic and environmental effect. The main aim of the study is to compare the different types and classes of windows in the context of their impact on the primary energy demand ratio EP and economic efficiency. It was shown, that the payback period for the investment in windows depends on costs of windows as well as on the energy source of the heating system in the building. As a result, the investment payback period varies from few years until several decades. Keywords: energetic efficiency, energy-efficient building construction, windows, heat transfer coefficient

Budownictwo o Zoptymalizowanym Potencjale Energetycznym 2(20) 2017, s. 83-90 DOI: 10.17512/bozpe.2017.2.11 Vasyl ZHELYKH, Nadiia SPODYNIUK, Bogdan GULAI Lviv Polytechnic National University, Institute of Building and Environmental Engineering Heat, Gas supply and Ventilation Department, Ukraine Volodymyr SHEPITCHAK Lviv Polytechnic National University, Department of Labor Protection, Ukraine MODELING OF THE PROCESS OF HEAT REGIME FORMATION IN THE IRRADIATION AREA OF INFRARED HEATER One of the important issues of energy policy the EU and Ukraine is the economical use of energy. An effective way to provide temperature conditions in production facilities is the use of infrared heaters. The main advantage of them is that they heat only the areas where heating is required. The purpose of the publication was mathematical modeling of heat regime formation in the irradiation area of infrared heater, which was designed the graphics dependence on the results of study. The results of mathematical studies were done concerning the determination of the intensity of radiation surface by the infrared heaters depending on surface temperature radiant heater, outside air temperature, air temperature and floor area. For analytical studies were used MATCAD 15.01. packages. Keywords: air temperature, infrared heater, staying zone, heat transfer INTRODUCTION On this time in Ukraine plenty of energy resources are spent for heating of productive and agricultural apartments. It is related to that these apartments of large volumes, in connection with what considerable resources spend indemnification of heat lost and providing of technological processes. These moments substantially complicate the engineering, technical and scientific aspects of decision of problems warm providing industrial apartments. It explains circumstance that on this time only all-round reasonable conception and methodology of development of the systems are absent warm providing of productive complexes with the use of the energy effective heating systems. The effective heating systems of high production premises are systems based on the use of electric infrared heaters. The main advantage of them consists in the heating only the areas where it is required. As a result, the use of such heating systems warms only the certain surfaces and objects. Thus, we can achieve the desired thermal condition in different areas or in individual workplaces [1-3]. However, the use of radiation heating system the meaning of radiant energy distribution on the surface is uniform. Therefore, the task is to ensure uniform distribution of heating system on all area of workplace.

84 V. Zhelykh, V. Shepitchak, N. Spodyniuk, B. Gulai The purpose of the publication was development of research setting based on the infrared heater for the study of the intensity of radiation surfaces, which was designed the graphics dependence on the results of study. 1. EXPERIMENTAL STUDIES For providing an analytical research of temperature conditions on working surface of production facilities a simplified model of heat flow has developed (Fig. 1). It displays a direction of heat flow and their interaction with heat sources. Operating the thermal parameters it can be possible to develop heat balance in the staying zone with further definition of temperature regime. Fig. 1. The scheme of heat flow in the staying zone: 1 - external wall, 2 - staying zone, 3 - infrared heater, 4 - window, 5 - floor Thermal balance will take the following form: Q ir pil pov pr k k k p К= where: Q p [W] - heat flow (conductivity) through the floor; Q [W] - heat flow (convection) from floor to air; pov k + Q + Q Q Q Q 0 (1)

Modeling of the process of heat regime formation in the irradiation area of infrared heater 85 Q pr [W] - heat flux (radiant) from the infrared source to the floor; іr Q [W] - heat flow (convection) from the infrared heater to the air; k pidl k Q [W] - heat flow (convection) from the air to the floor; Q [W] - heat flow (heat transfer) through the floor to the environment. К Thermal conductivity through the floor determined as follows: dq п ( tpidl tz) dfpidl where: λ [W/(m C)] - the thermal conductivity of the floor; δ [m] - the thickness of the floor; t pidl [ C] - temperature of the floor; t z [ C] - outdoors air temperature; F pidl [m 2 ] - floor area that is irradiated. Heat transfer from floor to air is determined as: dq pov k λ = (2) δ pidl ( t pidl t pov) dfpidl = α (3) where: α pidl [W/(m 2 K)] - coefficient of heat transfer from surface of the floor; t pov [ C] - air temperature. Irradiation of the floor by infrared heater found as follows: dq іr pr pr 4 4 ( tіr tpidl) dfpidl where c pr [W/(m 2 K 4 )] - reduced rate of radiation; с = с (4) 8 pr εpr1 2 с0 ϕ1 2 10 = (5) where: ( 1 1 ε = ε + ε 1) pr1 2 1 2 - factors of emission of working surfaces; c 0 - Stefan-Boltzmann constant; а ϕ 1 2 - angular rate of surfaces exposure, ϕ1 2 = ; h π h - distance from the radiator to the floor, a - half of the width of the exposure zone. t ir [ С] - the surface temperature of the infrared source. The value of the effective heat transfer coefficients is defined as the sum of the coefficients of convective and radiative heat transfer:

86 V. Zhelykh, V. Shepitchak, N. Spodyniuk, B. Gulai k p k pr 8 2 2 ( Т + Т )( Т Т ) a = a + a = a + c 10 + 1 2 1 2 (6) Heat transfer from the infrared heater to the air is equal to: dq іr k іr ( tіr t pov) dfіr = α (7) where: α ir [W/(m 2 K)] - heat transfer coefficient from the screen of infrared radiator to the air; F ir [m 2 ] - the surface area of the screen of infrared emitter. Heat transfer from the air to the floor is calculated: dq pidl k pidl ( t pov t pidl) dfpidl = α (8) Heat transfer through the floor is given by the following formula: dq K ( tpov tz) dfpidl = k (9) where k [W/(m 2 K)] - coefficient of heat transfer through the floor, is determined by: 1 k = (10) 1 δ 1 + + α λ α 1 2 2. RESULTS AND DISCUSSION To simulate the thermal interactions of radiation area graph theory is proposed. This zone is represented as a system of heat capacities between elements of which heat exchange is happen and it interacting with heat sources of (Fig. 2) [1-3]. Fig. 2. Figure of heat flow in radiation area

Modeling of the process of heat regime formation in the irradiation area of infrared heater 87 In the investigated area are marked thermal capacity: Air (Pov) and floor (Pidl) of production facilities. For technological areas heat sources are: Infrared heater (Q іr ); Environment (Q z ) that appear as peaks (V 1 ) of the graph (G 1 ). Heat flows indoors, corresponding to heat transfer between і-heat source and thermal capacities shown on the graph as edges (E 1 ), which connect the top. Thus, the set vertices of a graph is: a plurality of edges: V ( G ) { Pov; Pidl. ; Q ; } = (11) 1 1 іr Q z ( G ) {( Q,Pidl);( Q,Pov);( Q, Pidl) ;( Q,Pov);( Pidl,Pov) } Е1 1= іr іr z z (12) For thermal capacities included in the graph as vertices, number of edges is: deg deg ( Pidl) = 3 ( Pov) = 3 Matrix intsydentsiy M 1 for graph G 1, which lines correspond to peaks (thermal capacity), and columns - edges (heat flux) is as follows (Table 1): Table 1. So intsydentsiy matrix is a binary matrix whose elements are equal to 0 or 1. From an algorithmic perspective matrix is probably the worst way to image graph. First, this method requires m and n memory cells (m-column, n-lines), most of these cells are occupied by zeros and secondly, access to the information is inconvenient [4, 5]. In accordance expanded matrix of heat sources display will be: Pidl Pov Q Pidl Pov. Q 0 Pov Pidl Q Pidl -Pov 0 Q Q p іr k + Q + Q pov k pidl k + Q іr pr + Q K (13) where: Q i-y - the elements of the matrix corresponding to the heat capacity and capacity y; Q - column element of heat source that corresponds to the heat of these sources in the capacity in line of which they placement.

88 V. Zhelykh, V. Shepitchak, N. Spodyniuk, B. Gulai Thus, the system of equations for thermal capacity of floor (Pidl) looks like: ( t pidl t z) ( t pidl tpov) F 4 4 с ( t t ) λ Qp = Fpidl δ pov Q k = αpidl pidl (14) іr Qpr = pr іr pidl Fpidl The system of balance equations for heat capacity of air (Ppov) becomes: іr ( tіr tpov) ( t pov t pidl) F k ( t t ) іr Qk = α Fіr pidl Q k = α pidl pidl (15) QK = pov z Fpidl We assume that the heat capacity (Pidl) temperature is lower than the temperature of the floor. Thus, the equation of energy conservation of floor is as follows: Q pidl = с pr F 4 4 ( t t ) pidl іr α pidl pidl F (t pidl pidl λ (t δ t pov pidl ) F pidl t ) If the balance between heat capacities of air (Pov) and floor (Pidl) there is thermal equilibrium: z (16) dq pidl= dq pov (17) The temperature of the floor (surface) is taken as the average area of exposure F pidl. This is in magnitude bigger than temperature of the floor. The equation of conservation of energy for air is: + α pidl Qpov = αіr ( tіr t pov) Fіr + ( t pov t pidl) Fpidl k ( t pov tz) Fpidl From these equations defined temperature of the floor (surface) in the area of radiation F pidl : c + с pr pr t t λ + tpidl δ λ + tz α δ 4 pidl і.r = к іr ( t t ) ( t t ) іr pov pov z + F F For the dependence between main parameters that form the heat radiation zone status - surface temperature radiant heater t іr [ С], outside air temperature, іr pidl (18) (19)

Modeling of the process of heat regime formation in the irradiation area of infrared heater 89 t z [ С], air temperature, t pov [ С], and floor area, F pidl [m 2 ] - used software packages MathCAD 15.01. Fig. 3. Dependence between main parameters that form the heat radiation zone As seen from the graph, temperature regime in the radiation area directly proportional to the capacity of the heater and depends on the temperature on the surface. CONCLUSIONS In this paper was develope research setting based on the infrared heater for the study of the intensity of radiation surfaces, which was designed the graphics dependence on the results of study. For building graphical dependence was used software packages MathCAD 15.01. Temperature regime in the radiation area directly proportional to the capacity of the heater and depends on the temperature on the surface. REFERENCES [1] Piotrowski J., Faryniak L., The Application of Chromatography Method in the Research into Infiltration Heat Losses, Institute of Heating and Ventilating Warsaw University of Technology, Warsaw 1994, 111-114. [2] Radiative Transfer-1: Proceeding of the First International Symposium on Radiation Transfer, ed. M. Pinar Mengus, Kusadasi, Turkey ICHMT, 1995, 800.

90 V. Zhelykh, V. Shepitchak, N. Spodyniuk, B. Gulai [3] Siegel R., Thermal radiation heat transfer, R. Siegel, J.R. Howell. - 4th ed., 2001, 840 p. [4] Zhelykh V., Ulewicz M., Spodyniuk N., Shapoval S., Shepitchak V., Analysis of the processes of heat exchange on infrared heater surface, Diagnostyka 2016, 17, 3, 81-85. [5] Shcherbovskykh S., Spodyniuk N., Stefanovych T., Zhelykh V., Shepitchak V., Development of a reliability model to analyse the causes of a poultry module failure, Eastern-European Journal of Enterprise Technologies 2016, 4, 3(82), 4-9. SYMULACJA POWSTAWANIA WARUNKÓW TERMICZNYCH W STREFIE NAPROMIENIANIA PROMIENNIKA PODCZERWIENI Jedną z ważnych kwestii polityki energetycznej UE i Ukrainy jest oszczędne użytkowanie energii. Efektywnym sposobem zapewnienia odpowiednich warunków temperaturowych w zakładach produkcyjnych jest wykorzystanie promienników podczerwieni. Główną zaletą tego sposobu ogrzewania jest to, że ogrzewa się tylko obszary, w których jest ono wymagane. Celem publikacji było matematyczne modelowanie reżimu cieplnego w obszarze napromieniania przez promiennik podczerwieni, który został zaprojektowany na podstawie wyników badań. Rezultatem modelowania matematycznego było określenie natężenia promieniowania promiennika podczerwieni na daną powierzchnię w zależności od temperatury powierzchni promiennika, temperatury powietrza na zewnątrz, temperatury powietrza w pomieszczeniu oraz powierzchni podłogi. Do wykonania analizy matematycznej użyto pakietu MathCAD 15.01. Słowa kluczowe: temperatura powietrza, promiennik podczerwieni, strefa przebywania, wymiana ciepła

Budownictwo o Zoptymalizowanym Potencjale Energetycznym 2(20) 2017, s. 91-100 DOI: 10.17512/bozpe.2017.2.12 Anna GUMIŃSKA Politechnika Śląska, Wydział Architektury REALIZACJE WSPÓŁCZESNEGO BUDOWNICTWA W EUROPIE W ASPEKCIE ENERGOOSZCZĘDNOŚCI I WYKORZYSTANIA ODNAWIALNYCH ŹRÓDEŁ ENERGII Na wybranych przykładach zabudowy współczesnej przedstawiono zastosowanie materiałów, technologii energooszczędnych, wykorzystanie odnawialnych źródeł energii w tego rodzaju budownictwie i zagospodarowaniu przestrzennym tych obiektów. Analiza współczesnych realizacji architektonicznych dotyczyła zagadnień związanych z przystosowaniem współczesnego budownictwa do zmieniającego się klimatu. Wyznaczono najważniejsze kryteria wpływające na budynek, zarówno ze względu na zmieniający się klimat, jak i na obowiązujące przepisy prawne. Do analizy wybrano przykłady współczesnej architektury mieszkaniowej z Niemiec, Danii, Norwegii, Szwecji i Włoch. W pracy wykorzystano dokumentację zdjęciową wykonaną in situ. Przedstawiono wyniki analiz zastosowania proekologicznych materiałów i technologii. Słowa kluczowe: energooszczędność, odnawialne źródła energii, zmiany klimatu, architektura współczesna WPROWADZENIE We współczesnej architekturze europejskiej występują tendencje do stosowania proekologicznych materiałów i technologii budowlanych oraz wdrażania zasad zrównoważonego rozwoju. Pod pojęciem zrównoważonego rozwoju można przyjąć działania zapewniające najwyższy poziom jakości życia z pozostawieniem szans rozwoju dla przyszłych pokoleń poprzez oszczędność zasobów naturalnych, nieniszczenie środowiska naturalnego i zagwarantowanie bezpiecznego środowiska zamieszkania, odpornej infrastruktury na zmiany klimatu [1]. Zagadnienie to było badane w wielowątkowych aspektach problemowych (socjologicznym, ekonomicznym, planistycznym), a zajmowali się nim między innymi: D.C. Pirages (1977), S. Kozłowski (1998), A. Niedek (1991), Burchard- -Dziubińska (1994), K. Górka, B. Poskrobko, W. Radecki, (1995), R. Pajda (1998), B. Piontek (2005), P. Dasgupta (2007), A. Kassenberg (2007), T. Borys (2010), J.M. Chmielewski (2010), L. Mierzejewska (2015) i inni badacze [1-3]. Istnieje wiele raportów, opracowań i badań ukierunkowujących działania zrównoważonego rozwoju na strefę budownictwa wobec zmieniającego się klimatu

92 A. Gumińska i potrzeb z tego wynikających, między innymi: raport Brundtland World Commision on Environment and Development (WCED), 1987, Our Common Future, Oxford University Press, Oxford.; Agenda 21 z 1992 r.; Dokumenty końcowe Konferencji Narodów Zjednoczonych Środowisko i Rozwój z 1993 r.; Traktat Amsterdamski z 1997 r.; Konstytucja RP art. 5, 68.4, 74.1, 74.2, 74.3, 74.4, 86 - DzU 1997, Nr 78, poz. 483; Ustawa Prawo Ochrony Środowiska - DzU 2001, Nr 62, poz. 627, DzU 2016, poz. 672, 831, 903; Ustawa o Efektywności Energetycznej - DzU 2016, poz. 831; Strategia Unii Europejskiej w zakresie przystosowania się do zmian klimatu, Strategiczny plan adaptacji dla sektorów i obszarów wrażliwych na zmiany klimatu do roku 2020 z perspektywą do roku 2030, Komunikat Komisji do Parlamentu Europejskiego, Rady Europejskiego Komitetu Ekonomiczno-Społecznego i Komitetu Regionów Strategia Unii Europejskiej w zakresie ogrzewania i chłodzenia oraz wiele innych opracowań i analiz [1]. Istotnym zagadnieniem poruszanym w tych dokumentach jest między innymi poprawa efektywności energetycznej budynków i zwiększenia wykorzystania odnawialnych źródeł energii na przykład poprzez poprawę izolacyjności termicznej budynków przez stosowanie renowacji termicznej elementów budynku, energooszczędnych materiałów i technologii budowlanych, wprowadzania dużej ilości zieleni do budynku (dachy, ściany) i w zagospodarowaniu terenu. Przykładami miast o ideach nastawionych na redukcję zapotrzebowania energii i wody są między innymi Hammarby Sjöstad (Sztokholm, Szwecja) oraz Vauban w Niemczech. Do analizy wybrano przykłady współczesnej architektury mieszkaniowej i usługowej z Niemiec, Danii, Norwegii, Szwecji i Włoch. 1. ZMIANY KLIMATU A BUDYNEK Do najważniejszych kryteriów zmian klimatycznych kształtujących nowe zasady wznoszenia budynków należą zagadnienia związane z nasileniem się zjawisk atmosferycznych, takich jak: a) powodzie, b) intensywne opady deszczu, c) silne wiatry, d) duże nasłonecznienie [4]. Konsekwencjami tych zjawisk jest konieczność zwiększenia odporności budynków na wymienione zjawiska poprzez zabezpieczenie budynku i terenu przed: a) powodziami, dużymi i nagłymi opadami deszczu i śniegu - hydroizolacje, wzmocniona konstrukcja, zabezpieczenie niższych kondygnacji budynku, odpływ wody, nawierzchnie przepuszczające wodę; b) zmianami temperatur - oszczędność energii, termoizolacja, wentylacja, chłodzenie, struktura budowy obiektu, materiały budowlane; c) silnymi wiatrami, wstrząsami tektonicznymi - elastyczność i odporność konstrukcji budynku;

Realizacje współczesnego budownictwa w Europie w aspekcie energooszczędności 93 d) efektem miasta - wyspy ciepła - konstrukcja i struktura budynku, nieodblaskowe elewacje budynków, osłona przed ciepłem, słońcem; e) zanieczyszczeniem atmosfery - oczyszczanie atmosfery materiałami na elewacjach budynków [4]. 2. PRZYKŁADY BUDYNKÓW I TECHNOLOGII We współczesnym budownictwie europejskim występują tendencje proekologiczne głównie ukazujące następujące kierunki: a) stosowanie zwiększonej ilości zieleni w zagospodarowaniu działki i w budynku (dach, ściany), b) kształtowanie struktury budynku wykorzystującej naturalne zjawiska przyrodnicze wspomagające oszczędność energii (wentylacja, oświetlenie, składowanie wody, energii), c) nawiązywanie kształtem, strukturą i zasadą działania do naturalnych systemów przyrodniczych (kształt i działanie drzewa, zasada działania kręgosłupa), d) wykorzystywanie naturalnych bądź składających się w części z naturalnych surowców materiały budowlane (materiały ulegające recyklingowi, konglomeraty z naturalnymi materiałami), e) naturalistyczne kształtowanie otoczenia budynku z wprowadzaniem zbiorników wodnych, obszarów z zielenią czynną (uwzględnienie nagłych i intensywnych zjawisk atmosferycznych - dużych opadów deszczu, suszy), f) stosowanie technologii informatycznych kotrolujących zużycie energii przez budynek, technologii wykorzystujących odnawialne źródła energii (ogniwa fotowoltaiczne, energia geotermalna) [5-7]. 2.1. Zieleń Stosowanie zielonych ścian, dachów, ogrodów wertykalnych ma za zadanie zwiększenie ilości czynnej zieleni w mieście, poprawę mikroklimatu, gospodarki wodnej, obniżenie temperatury w mieście, zmniejszenia powierzchni odbijającej światło. Przykładami tych zastosowań zieleni są: zielone dachy na wielorodzinnym 10-piętrowym budynku mieszkalnym z parkingami pod spodem Mountain Dwellings w Kopenhadze (Dania, proj. PLOT + BIG Architects, 2008 - rys. 1a), wewnętrzna przestrzeń budynku wielorodzinnego 8 House zagospodarowana naturalnymi elementami, takimi jak zieleń i żwir w Kopenhadze, Ørestad (Dania, arch. Bjarke Ingels Group BIG, 2010 - rys. 1b), wertykalne farmy z uprawami owoców i warzyw na elewacji Pawilonu Amerykańskiego na Wystawie Światowej EXPO w Mediolanie (Włochy, 2015 - rys. 1c), ogrody wertykalne z zielenią umieszczoną na balkonach wież mieszkalnych Bosco Verticale w Mediolanie (Włochy, arch. Stefano Boeri; 2014 - rys. 1d).

94 A. Gumińska a) b) c) d) Rys. 1. Zastosowanie zieleni w budynkach: a) Mountain Dwellings, Kopenhaga, Dania; b) 8 House, Kopenhaga, Ørestad, Dania; c) Pawilon Amerykański, Wystawa Światowa EXPO, Mediolan, Włochy; d) Bosco Verticale, Mediolan, Włochy [A. Gumińska, 1a, 1b - 2016, 1c, 1d - 2015] 2.2. Struktura budynku i zagospodarowania przestrzennego Ważnym elementem wpływającym na efektywność energetyczną budynku jest jego struktura, układ, podziały kubatury, a także wykorzystanie naturalnych zjawisk, np. naturalne oświetlenie, wentylacja, energia geotermalna, a także zasilanie wentylacji i ogrzewania z energii słonecznej i geotermalnej, stosowanie elementów budowlanych ograniczających zużycie energii, np. wzmocniona izolacja termiczna. Także w nasilających się anomaliach pogodowych ważnym elementem budynku jest jego konstrukcja odporna na obciążenia wiatrem. Na przykład wydłużenie i podzielenie na segmenty struktury obiektu dla lepszego doświetlenia naturalnego i wentylacji (rys. 2a, b - schemat rzutu i zadaszony dziedziniec - Federal Environmental Agency, Dessau, Niemcy, proj. Biuro Sauerbuch & Hutton, Matthias Sauerbruch, Louisa Hutton), natomiast odpowiednie ukształtowanie budynku zapewnia dobre nasłonecznienie i przewietrzanie (rys. 2c - 8 HOUSE, Kopenhaga, Ørestad, Dania, proj. arch. Bjarke Ingels Group BIG), istotnymi są także: ograniczenie przeszklenia, dobra, wzmocniona izolacyjność termiczna i rozczłonkowanie bryły budynku dla lepszej wentylacji i doświetlenia (rys. 2d - Urząd Miejski Rozwoju i Środowiska, Hamburg-Wilhelmsburg, Niemcy, 2013, proj. arch. Sauerbruch Hutton Architekten) [5, 6].

Realizacje współczesnego budownictwa w Europie w aspekcie energooszczędności 95 a) b) c) d) Rys. 2. Proekologiczne ukształtowanie struktury budynku: a), b) rzut i widok Federal Environmental Agency, Dessau, Niemcy; c) 8 HOUSE, Kopenhaga, Ørestad, Dania; d) Urząd Miejski Rozwoju i Środowiska, Hamburg-Wilhelmsburg, Niemcy [A. Gumińska, 2016] Oprócz struktury budynku, jego budowy i zastosowanych w nim technologii istotnym elementem wiążącym w całość system zrównoważonego rozwoju jest zagospodarowanie terenu. Czynniki takie jak przepuszczalność gleby (stopień zasklepienia gleby), temperatura gleby (wpływ budynku na podniesienie jej między innymi poprzez odbicie słońca w elewacji), zbiorniki retencyjne na nagłe, intensywne opady mają wpływ na całościowy efekt proekologiczny. Przykładami są adaptacje rodzimych i utworzenie nowych zbiorników wodnych (rys. 3a, b - Egebjerggard Osiedle, Ballerup, Bo I By, Dania, proj. arch. Henning Larsen i inni przekształcane od 1996 r.) oraz nawiązanie do tradycji regionalnej poprzez domy pasywne w basenie z deszczówką (rys. 3c - Water Houses, Iba Hamburg, Niemcy, proj. Schenk + Waiblinger Architekten) czy też stosowanie wody w pobliżu budynków (rys. 3d - osiedle mieszkaniowe, Malmo, Szwecja) [6]. Także ukształtowanie konstrukcji budynku ma zasadnicze znaczenie w dostosowaniu architektury do zmieniających się warunków klimatycznych. Konsekwencją naśladowania konstrukcyjnego natury w strukturze budynku jest odporność konstrukcji nośnej budynku na anomalia pogodowe. Przykładem pokazującym taką zasadę jest naśladująca strukturę kręgosłupa konstrukcja Turning Torso w Malmo w Szwecji (rys. 4a, b - proj. Santiago Calatrava, 1999-2005). Natomiast analogią do budowy i zasady działania drzewa (oczyszczanie powietrza za pomocą elewacji, zbieranie wody, wytwarzanie energii ze źródeł odnawialnych, inne) jest Pawilon Włoski, EXPO, Mediolan, Włochy, 2015 r. (rys. 4c, d) [8].

96 A. Gumińska a) b) c) d) Rys. 3. Zbiorniki wodne i zabudowa wielorodzinna: a) Egebjerggard Osiedle, Ballerup; b) Bo I By, Dania; c) Water Houses, Iba, Hamburg, Niemcy; d) osiedle mieszkaniowe, Malmo, Szwecja [A. Gumińska, 2016] a) b) c) d) Rys. 4. Konstrykcje i struktury budynków nawiązujące do natury: a), b) Turning Torso, Malmo, Szwecja; c), d) Pawilon Włoski, EXPO, Mediolan, Włochy [A. Gumińska, 4a, 4b - 2016, 4c, 4d - 2015] 2.3. Technologie i materiały budowlane Spośród szerokiej gamy proekologicznych technologii i materiałów budowlanych przedstawiono jedynie nieliczne.

Realizacje współczesnego budownictwa w Europie w aspekcie energooszczędności 97 Ciekawym przykładem technologii proekologicznej jest zastosowanie oczyszczającego atmosferę betonu na elewacji budynku, który w kontakcie ze światłem słonecznym neutralizuje zanieczyszczenia powietrza, przekształcając je w obojętne sole na przykład na elewacji Pawilonu Włoskiego, EXPO 2015, Mediolan, Włochy, rys. 5a) [6]. Przykładem może być również wykorzystywanie naturalnych, rodzimych materiałów do budowy obiektów, elewacji z drewna w Osiedlu Modrzewiowy Ogród I, Aarhus, Dania (2008, Proj. Herzog+Partner - rys. 5c), drewno użyte do budowy ściany bez gwoździ w Pawilonie Japońskim na EXPO 2015, Mediolan, Włochy (rys. 5b) [6]. Oprócz stosowania naturalnych materiałów elewacyjnych (modrzew) do technologii proekologicznych zaliczyć można również stosowanie energii geotermalnej oraz układy bryły ułatwiające właściwe doświetlenie, wentylację i izolację akustyczną jak w Federal Environmental Agency, Dessau, Niemcy (proj. Biuro Sauerbuch & Hutton, Matthias Sauerbruch, Louisa Hutton - rys. 5d). a) b) c) d) Rys. 5. Wspomaganie oczyszczania atmosfery za pomocą betonowej elewacji oraz naturalne materiały na elewacjach: a) Pawilon Włoski, EXPO 2015, Mediolan, Włochy; b) Pawilon Japoński, EXPO 2015, Mediolan, Włochy; c) Zabudowa Osiedla Modrzewiowy Ogród I, Aarhus, Dania; d) Federal Environmental Agency, Dessau, Niemcy [A. Gumińska, 5a, 5b - 2015, 5c, 5d - 2016] Ważnym także aspektem w oszczędzaniu energii jest ochrona przed nadmiernym nasłonecznieniem. Poprzez stosowanie technologii kontroli natężenia światła, promieni UV i podczerwieni, kontroli zużycia i pozyskiwania energii możliwe jest zmniejszenie wydatków energetycznych. Przykładami nowoczesnych paneli fotowoltaicznych są panele zastosowane w Pawilonie Niemieckim na EXPO 2015, Mediolan, Włochy (rys. 6a) z ogniwami fotowoltaicznymi umieszczonymi na stalowej siatce, w Pawilonie Belgijskim na EXPO 2015, Mediolan, Włochy (rys. 6b) ogniwa fotowoltaiczne pełnią również rolę osłony przed słońcem tak jak w Osiedlu Modrzewiowy Ogród, I, Aarhus, Dania (rys. 6c - 2008, Proj. Herzog+Partner).

98 A. Gumińska a) b) c) d) Rys. 6. Ogniwa fotowoltaiczne, różne rodzaje, miejsca umieszczenia: a) Pawilon Niemiecki, EXPO 2015, Mediolan, Włochy; b) Pawilon Belgijski, EXPO 2015, Mediolan, Włochy; c) Zabudowa Osiedla Modrzewiowy Ogród I, Aarhus, Dania; d) technologia SPD regulowania natężenia światła - Pawilon Amerykański, Expo 2015, Mediolan, Włochy [A. Gumińska, 6a, 6b, 6c - 2015, 6d - 2016] a) b) c) d) Rys. 7. Elementy pozyskujące energię za pomocą paneli fotowoltaicznych, połączenie z systemem oświetlenia; Pawilon Enel, EXPO 2015, Mediolan, Włochy [A. Gumińska, 2015]

Realizacje współczesnego budownictwa w Europie w aspekcie energooszczędności 99 Natomiast panele fotowoltaiczne zastosowane w Pawilonie Enel na EXPO 2015, Mediolan, Włochy (rys. 7) w dzień pobierają energię i dzięki połączeniu komórkowemu w system nocą oświetlają otoczenie (rys. 7d - technologia obliczania zużycia energii dla budynku). Równie ważnym aspektem energooszczędności jest ochrona przed nadmiernym nasłonecznieniem. Taką technologię SPD Smart Windows regulowania natężenia światła, zacieniania pomieszczeń zastosowano w Pawilonie Amerykańskim na Expo 2015, Mediolan, Włochy (rys. 6d) [6]. PODSUMOWANIE, WNIOSKI Kształtowanie architektury powstającej współcześnie wskazuje nie tylko na proekologiczną świadomość społeczną, ale także unormowania prawne odzwierciedlają zasady zrównoważonego rozwoju. Wybrane przykłady ukazują zastosowanie różnych typów działań proekologicznych. Stosowanie naturalnych, rodzimych materiałów, rozwiązań technologicznych opartych na naturalnych zasadach jest odpowiedzią na kształtowanie środowiska i przystosowywanie go do zmian klimatycznych. Podejmowane działania inwestycyjne mają wpływ na poprawę jakości środowiska. Przedstawione przykłady są jedynie nielicznymi działaniami mających na celu oszczędzanie energii, wody, oczyszczanie atmosfery poprzez obiekty architektoniczne i urbanistyczne, czyli zachowanie w jak najlepszym stanie środowiska naturalnego dla przyszłych pokoleń. Zrównoważony rozwój dotyczy wielu aspektów kształtowania środowiska. Jednak równie ważnym zagadnieniem jest stosowanie tych zasad w budownictwie, najbliższym otoczeniu człowieka [3, 9, 10]. LITERATURA [1] Mierzejewska L., Zrównoważony rozwój miasta - wybrane sposoby pojmowania, koncepcje i modele, http://cejsh.icm.edu.pl/cejsh/element/bwmeta1.element.desklight-3d0ba10f-da40-4be9- b514-591ffa2ce430/c/prm_2015-3_01_mierzejewska.pdf, dostęp: 25.02.2016 r. [2] Chmielewski J.M., Teoria urbanistyki w projektowaniu i planowaniu miast, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2010. [3] Stanny M., Czarnecki A., Zrównoważony rozwój obszarów wiejskich Zielonych Płuc Polski Próba analizy empirycznej, Instytut Rozwoju Wsi i Rolnictwa Polskiej Akademii Nauk, Warszawa 2011, http://admin.www.irwirpan.waw.pl/dir_upload/site/files/monika/ksiazka2011/r01.pdf, dostęp: 10.09.2016 r. [4] Wibig J., Jakusik E. (red.), Warunki klimatyczne i oceanograficzne w Polsce i na Bałtyku południowym - spodziewane zmiany i wytyczne do opracowania strategii adaptacyjnych w gospodarce krajowej, Tom 1, [w:] Wpływ zmian klimatu na gospodarkę, środowisko i społeczeństwo, Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej, Państwowy Instytut Badawczy, Warszawa 2012, s. VI, 131, http://klimat.imgw.pl/?page_id=1540, dostęp: 10.09.2016 r. [5] Energy Atlas Future Concept Renewable Wilhelmsburg IBA Hamburg (ed.), JOVIS Verlag GmbH, 2010.

100 A. Gumińska [6] IBA Hamburg Projekte und Konzepte. Katalog zur Zwischenpräsentation 2010 Internationale Bauausstellung Hamburg (Hg.), JOVIS Verlag GmbH, 2010. [7] Marchwiński J., Zielonko-Jung Ka., Współczesna architektura proekologiczna, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2014. [8] Feeding the Planet. Energy for Life, Official Catalogue Expo 2015, Mondadori Electa, Milano 2015. [9] Bać Z. (red.), Habitaty proekologiczne = Proecological habitats. Habitaty 2009., Prace Naukowe Wydziału Architektury Politechniki Wrocławskiej; nr 8 Architektura Mieszkaniowa, Oficyna Wydaw. Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2010. [10] Pęski W., Zarządzanie zrównoważonym rozwojem miast, Arkady, Warszawa 1999. [11] Archdaily: http: //www.archdaily.com/630901/italy-pavilion-milan-expo-2015-nemesi, dostęp: 25.07.2016 r. [12] Błaszczyński T., Dyzman B., Ksit B., Budownictwo zrównoważone z elementami certyfikacji energetycznej, Dolnośląskie Wydawnictwo Edukacyjne, Wrocław 2012. [13] Kowalewska A., Planowanie przestrzenne i urbanistyka w kontekście globalnych zmian klimatycznych? w kierunku Low carbon cities, Stowarzyszenie Pierwsza Warszawska Agenda 21, http://www.agenda21.waw.pl/index.php?option=com_content&view=article&id=59&itemid=65, dostęp: 25.07.2016 r. [14] Parlament Europejski, Komunikat Komisji Do Parlamentu Europejskiego, Rady, Europejskiego Komitetu Ekonomiczno-Społecznego I Komitetu Regionów, Strategia UE w zakresie ogrzewania i chłodzenia, https://ec.europa.eu/transparency/regdoc/rep/1/2016/pl/1-2016-51-pl-f1-1.pdf, dostęp: 10.09.2016 r. CONTEMPORARY CONSTRUCTION PROJECTS IN EUROPE IN TERMS OF ENERGY SAVING AND THE USE OF RENEWABLE ENERGY SOURCES Selected examples of modern buildings show the use of materials, energy-efficient technologies and renewable energy sources. Analysis of contemporary architectural projects concerned issues related to the adaptation of contemporary architecture to the changing climate. They were the most important criteria influencing the building, both because of the changing climate, as well as the applicable legal provisions. Examples have been selected for contemporary architecture in Germany, Denmark, Norway, Sweden and Italy. Photo documentation was done locally. We present the results of analyzes of the use of environmentally friendly materials and technologies. Keywords: energy efficiency, renewable energy, climate change, contemporary architecture

Budownictwo o Zoptymalizowanym Potencjale Energetycznym 2(20) 2017, s. 101-108 DOI: 10.17512/bozpe.2017.2.13 Givi GAVARDASHVILI Georgian Technical University, Ts. Mirtskhulava Water Management Institute Ecocenter for Environmental Protection, Tbilisi Lubov HERTMAN RUE «Central Research Institute for Complex Use of Water Resources», Minsk A NEW DRAINAGE SYSTEM TO DIVERT THE GROUND WATER FOR THE SAFETY OF THE FOUNDATION OF HIGH-RISE BUILDINGS One of the problems with improving the stability of the structure during the construction of high-rise buildings on the territories adjacent to the sea or a river bed is to draw down the ground and seepage waters in the foundation, and solving this problem will help improve the stability of the structure in the final run. Aiming at solving this problem, a new structure of a three-stage combined drainage system was designed at Ts. Mirtskhulava Water Management Institute of Georgian Technical University (Georgian Patent #GE P2005, 3573 P) ensuring not only drawing down the ground water, but also regulating the surface and seepage waters in the building foundation. The goal of the study is to examine the water conductivity of the threestage combined drainage system to improve the building stability and develop the methods of its hydraulic calculations. Keywords: high-rise building, foundation, ground water, three-stage combined drainage INTRODUCTION Tbilisi, the capital of Georgia, with a 1500-year-long history, is located in the river Mtkvari canyon, with its mountainous relief naturally fragmented with numerous watersheds and catchment areas. For many hundreds of years, at different times, on this territory, a city was built with one- and many-storey and high-rise buildings, with their reliability diminishing over the years. As a result, the buildings were hazardous well before the expiration of their service life [1]. The scientific-research works proved that one of the major reasons for the accidents of high-rise buildings was a washout of their foundations, suffusion with ground and filtration water currents formed with the surface water currents originated as a result of intense rains and filtration water currents flowing out of the Tbilisi Sea (so-called Tbilisi water reservoir). Figure 1 shows the contours of accommodation of the city of Tbilisi.

102 G. Gavardashvili, L. Hertman Fig. 1. Contours of accommodation of the city of Tbilisi If considering the geographical location of Tbilisi and analyzing the contours of its accommodation, we will see that the location of the natural landscape of Tbilisi, the capital of Georgia, does not support the construction of high-rise buildings much [4]. The situation is aggravated by steep mountain slopes making the area very sensitive due to the formation of surface waters and subsequent water erosion of the surface of the relief. The complex analysis of the natural landscape of Tbilisi and its assessment as of the principal polygon of the population accommodation reveal that one of the sensitive challenges of constructing high-rise buildings is the provision of the foundation stability against the ground and filtration water currents leading to the suffusion of the foundation and reducing the reliability of the premises. 1. CALCULATION OF WATER-CONDUCTIVITY OF THE COMBINE THREE-TIER DRAINAGE FOR THE STABILITY OF THE BUILDING FOUNDATION Aiming at identifying the degree of hazard of the apartments of five-storey and high-rise buildings in Tbilisi, some hazardous buildings were selected in Vake-Saburtalo district and Varketili-3 massif of Tbilisi, and geological pits were drilled along their foundations with the depth of 5.0 m for continuous footings and 10 30 m for pile foundations (see Fig. 2). Figure 3 shows the general views of a five-storey hazardous house in Moseshvili street (Tbilisi) and tall hazardous house in Varketili-3 massif. Figure 3 shows the general view of the geological pit drilled along the foundation of the five-storey building.

A new drainage system to divert the ground water for the safety of the foundation of high-rise buildings 103 Fig. 2. Cross section of the geological pits a) b) Fig. 3. The pit drilled in the house foundation in Moseshvili street (Tbilisi): a) hazardous house in Moseshvili street (Tbilisi), b) view of the hazardous house in Varketili-3 massif (Tbilisi) The studies revealed that the foundation of the house in Moseshvili street in Tbilisi with its depth of 5.0 m, is filled with ground water and as a result, the five-storey building is hazardous, while the hazardous state of the houses

104 G. Gavardashvili, L. Hertman in Varketili-3 massif is mostly the result of the Tbilisi Sea water filtration. The buildings in Varketili-3 massif are built at low levels resulting in the suffusion of their foundations. Thus, one of the major issues with improving the stability of the five-storey and high-rise buildings in Tbilisi is the diversion of ground waters from the foundation and currents of filtration waters from the Tbilisi Sea water area. 2. CALCULATION OF WATER-CONDUCTIVITY OF THE COMBINE THREE-TIER DRAINAGE FOR THE STABILITY OF THE BUILDING FOUNDATION Following the detailed study of the landscape for the purpose of accommodation of the city of Tbilisi, aiming at improving the stability of the foundations of the five-storey and high-rise buildings, a new device of the combine three-tier drainage was developed at Ts. Mirtskhulava Water Management Institute of Georgian Technical University, with the priority of its scientific-technical novelty certified by Georgian Patent Certificate No. 3573 В) [2, 3]. Figure 4 shows the design model of the combine three-tier drainage. Fig. 4. Cross section of the combine three-tier drainage The combined drainage is made up of underground fracture drains (1), with the pipes of the water intake made of the super-strong polyethylene material (2) with perforated elliptic nods (4) under them. The water intake connects up to the pipeline connected to the water pipeline collector (5). The purpose of the first tier (1) is to regulate the surface runoff water to avoid its delay in the building foundation longer than admissible. The second tier is an elliptic perforated polyethylene structure (2) absorbing excess humidity in the foundation and transforming it into water currents.

A new drainage system to divert the ground water for the safety of the foundation of high-rise buildings 105 The third tier is an intake pipe (3) located below the foundation level ensuring the water supply to the conducting channels (pipes 5) and swift ground water diversion in the foundation (Fig. 5). Fig. 5. Plan of the combined three-tier drainage in the building foundation 3. HYDRAULIC CALCULATION OF THE COMBINED THREE-TIER DRAINAGE For the hydraulic calculation of the combined three-tier drainage, let us consider the calculation plan given in Figure 6. The ground water discharge flown into the prism will equal [5]: dy Q= 2xyk (1) dx Fig. 6. Calculation plan of the combined three-tier drainage

106 G. Gavardashvili, L. Hertman By using the method of separation of variables, expression (1) will be as follows: By integrating (2), we obtain: Q dx ydy= (2) 2k x Q y 2 = ln x+ c (3) k To find the integration constant (c), we use the boundary condition, when x= R 0, then y= h, and we obtain: In order to calculate the output along 1 linear meter of the combine three-tier drainage, let us consider so called prism presented with the length of 2 x and depth of y. The velocity of the ground water current flown into the prism will be proportional: Q = ln r+ c (4) k 2 h 0 Integration constant (c) from expression (4) equals: 2 Q c= h ln r0 (5) k As the cylinder with radius r 0 does not coincide with the surface of the combine three-tier drainage of an elliptic shape (Fig. 6), let us introduce a new value as a form coefficient (η). Then, let us introduce η r0 instead of r 0 in equations (4) and (5). By considering the above-mentioned, if considering expression (5), equation (3) will be as follows: 2 2 Q x y h = ln (6) k ηr Let us insert the boundary condition in equation (6), when (Fig. 5), and we will obtain: 0 0 x= R, then y= H 2 2 Q R H h = ln (7) k ηr If using equation (7) and transform it, we will obtain the equation to calculate the ground water discharge flown into the prism:

A new drainage system to divert the ground water for the safety of the foundation of high-rise buildings 107 2 2 ( H h ) k Q = [cm 3 /sec] (8) R ln ηr 0 If designing the combine three-tier drainage with length L, then expression (8) will be as follows: 2 2 ( H h ) Lk Q = [cm 3 /sec] (9) R ln ηr 0 where: η, as mentioned above, is the form coefficient of the elliptic nod of the combine three-tier drainage, whose value depends on the radius of curvature of the elliptic nod of the three-tier perforated drainage, with its numerical value equaling: nn nn ( Length of the horizontal curve) ( Length of the vertical curve) > 1 (10) During the operation of the combine three-tier drainage, when the level of ground water falls to level h= ( H S) (Fig. 5), the ground water dynamic level is established: 2 2 2 h = H 2HS+ S (11) Let us simplify expression (11) to obtain: 2 2 S H h = 2HS 1 2HS (12) 2H By considering that follows: S << 2H and expression (12), expression (8) will be as Q max 2kHS = [cm 3 /sec] (13) R ln η r So, expression (13) is used to calculate the water conductivity of the combine three-tier drainage ensuring efficient diversion of the ground and surface waters from the building foundation what is one of the solid guarantees for the stability of the five-storey and high-rise buildings in Tbilisi. 0

108 G. Gavardashvili, L. Hertman REFERENCES [1] Gavardashvili G.V., Measures for the Safety of Mountain Landscapes during Natural and Technogenic Disasters. Tbilisi Universal, 2011, 237 (in Georgian). [2] Gavardashvili G.V., Guguchia M., The research of the combine three tier drainage, International Scientific-Practical Conference Use of Reclaimed Land - Current State and Prospects of Development Reclamative Farming, Tver, Russia, August, 27-28, 2015, 196-201. [3] Gavardashvili G.V., Irrigation, Drainage, Erosion. Ltd,,Universal, Tbilisi 2016, 410 p. (in Georgian). [4] Mirtskhulava Ts. E., Environmental violations, Tbilisi 1993, 432 p. (in Russian). [5] Shterenlikht D.V., Hydraulic, Moscow 1985, 640 p. (in Russian). NOWY SYSTEM DRENAŻU ZAPEWNIAJĄCY ZRÓWNOWAŻONY PRZEPŁYW WODY GRUNTOWEJ W STREFIE FUNDAMENTÓW BUDYNKÓW WYSOŚCIOWYCH Jednym z problemów związanych z posadowieniem konstrukcji budynków wysokościowych na terenach przylegających do morza lub koryta rzeki jest przesiąkanie wody w strefę fundamentów. Rozwiązaniem tego problemu, które może poprawić stateczność danych konstrukcji w całym cyklu funkcjonowania budynku, jest odprowadzenie wody z gruntu, z otoczenia fundamentów. Mając na celu rozwiązanie tego problemu, w Gruzińskim Uniwersytecie Technicznym (GUT) zaprojektowano nową konstrukcję trójfazowego kombinowanego systemu drenażowego. Instytut Gospodarki Wodnej im. Mirtskhulavy GUT opatentował konstrukcję zapewniającą nie tylko odprowadzenie wód gruntowych, ale także regulację wód powierzchniowych i przesiąkowych do fundamentów budynku (gruziński patent GE P2005, 3573 P). Celem badania było zbadanie przepływu wody w trójfazowym kombinowanym systemie drenażowym w celu poprawy stabilności budynku i opracowanie metody jego obliczeń hydraulicznych. Słowa kluczowe: budynek wyskościowy, fundament, woda gruntowa, trójfazowy drenaż kombinowany

Budownictwo o Zoptymalizowanym Potencjale Energetycznym 2(20) 2017, s. 109-114 DOI: 10.17512/bozpe.2017.2.14 P. BALJYAN, H. TOKMAJYAN, V. HAYRAPETYAN, G. ZAQARYAN Shushi University of Technology Faculty of Architecture and Construction THE RESULTS OF A MUD AND ROCK FLOW CONTROLLING NEW FACILITY DESIGN STUDY The analysis of the mud-rock flow controlling facility operation enables to reveal regularities and, consequently, mechanisms providing passage of the given values of solid and liquid flow for different slopes of a channel and parameters of its cross section. To solve such problems it is assumed that if the mud-rock moving along a given slope of a prismatic bed with the maximum concentration, then its flow can be controlled and direct along small slopes of the channel, providing at that the constancy of the first value of sediment carrying capacity. At the same time, the sections of the channel where steepness of the bed is relatively gentle require corresponding design innovations of the mud-and-rock flow controlling facilities. The received design solutions for mudflow controlling structures enable reliable control of mudflows where downward grade is small. Keywords: water, river, channel, flood, turbulence, reservoir, anti-mudflow INTRODUCTION The constancy of the sediment carrying capacity or the balance of sediments, among other results, enables to derive a relationship between hydraulic parameters of the effective cross-section [1]. The analysis of revealed regularities makes it possible to arrive at a very important and interesting conclusion: passing through the given values of solid and liquid flows is possible in different values of the channel slope i o and parameters of the cross-section b and h. However, these values are not arbitrary, but must satisfy the balance of sediments. In considering this problem researchers had be all the better to refer to the first works by V.G. Sanoyan [2, 3] devoted to mudslides. Using this concept a number of interesting results were obtained theoretically. Their essence lies in the fact that the flow of water moving in a prismatic channel of a given slope with a certain limiting concentration (transporting ability) can be transported further and along small downgrades of the riverbed, while ensuring the constancy of the initial value of the silt carrying capacity. However, the sections of the channel at the site of decreasing slopes require corresponding new design developments.

110 P. Baljyan, H. Tokmajyan, V. Hayrapetyan, G. Zaqaryan RESEARCH RESULTS To build a mathematical model for solving the problem under consideration, equations of nonuniform motion and continuity, sediment balance and a number of known relationships were used [2]. On the basis of this formulation several problems of great practical importance have been solved. Mud-and-rock stream moving down the hill gradually losses its speed, for the down-hill gradient gradually decreases from the top to the foot of the hill or mountain. Due to natural conditions or existing types of pass channels begins intense deposition of sediment. As a result mudflow or mudslide gradually is becoming wider, covering large area causing more sever and larger destructions. The obtained theoretical solutions the authors subjected to experimental check [3]. These studies have proved the reliability of carried out theoretic developments. On the basis of the obtained results, the authors have registered two author s certificates for inventions, as a fundamentally new type of sediment and silt passing structures [4, 5]. The first type of these structures is a prismatic channel, which in places where down-hill gradient decreases is transformed to a wider non-prismatic channel. A number of such design were subjected to a series of laboratory tests when the slope of the upper channel was 0.03, and the lower one - 0.01 (two models with different estimated flow rates) and 0.0 (horizontal bottom), where the slope of the upper channel was 0.05, and the lower one - 0.01. In all cases the obtained theoretical solutions corresponded quite well to the experimental data (Tables 1, 2 and 3). The paper presents the results obtained for one of models (when the prismatic channel of a rectangular cross-section passes to the non-prismatic channel of the same shape), since these results are described in sufficient detail in researched reports, and in methodological recommendations [1, 3, 6]. The initial data of the presented example are: for the upper prismatic channel the slope of the bottom is I = 0.03, mudflow rate - Q = 48.6 l/s, transporting capacity of the stream S m = 70 kg/m 3, the channel width - b p = 0.37 m, weighted average diameter of the silt d = 2.64 mm. The slope of the channel lower section is i = 0.01. The plan and the longitudinal section of the structure are shown in Figures 1 and 2. As can be seen from the presented there schemes, with the ratio of slopes of the upper and lower sections is equal to 3, the lower section of the channel, having the expansion corresponding to the calculations, still passes the maximum flow of sediment arriving from the upper channel. The values of the calculated values of the channel width and the depth of the flow in it are given in Table 1. Table 1. Results of channel width and flow depth calculations x [m] 0.5 1.26 2.3 3.4 4.4 5.0 b [m] 0.40 0.45 0.54 0.74 1.01 1.33 h [m] 0.059 0.053 0.046 0.036 0.028 0.023

The results of a mud-rock flow controlling new facility design study 111 Fig. 1. The plan of the experimental model of the new facility design: 1 - prismatic channel with slope I = 0.03, 2 - non-prismatic, expanding channel with slope i = 0.01 From the calculated expressions, here only the basic differential equation is presented obtained from the joint solution of the equations of steady no uniform flow and sediment balance, in case the given configuration of the channel bed is taken into consideration. The derived equation enables depending on the x distance (the reference point - the final site of the upper channel corresponding to the initial site of the lower section) to determine the value of the area of the effective crosssection A in the non-prismatic section of the channel. This equation has the following dimensionless form da = I dχ 13 16 ( β + 2) p 1 2 A i i + 1 2 I I 9 4 β p 8A 13 16 ( β + 2) ( β + 2) p thcx 2 p β 8β p p A 2 2 A A 11 2 11 2 1 Fr A 1 p 3 (1) when: β p = b p /h p is the linear scale of dimensionless h p ; C is the dimensionless coefficient depending on i/i; Fr p - Froude number for the upper stream. After setting the values of A, the values of the channel width b and the stream depth h are determined using corresponding dependencies. Having he values of h (Tab. 1) the curve of the free surface of the stream along the length of the structure has been plotted in Figure 2. In the same place the results of the experimental data are also indicated (Tab. 1). As is seen from the graph, there is a fairly good correspondence between the two values. At the same time, a transit passage of the mudflow from the upper channel is observed, with a design flow rate Q = 48.6 l/s and sediment carrying capacity S m = 70 kg/m 3 through the lower channel of which the slope is three times less.

112 P. Baljyan, H. Tokmajyan, V. Hayrapetyan, G. Zaqaryan Fig. 2. The longitudinal profile (a) and the cross-section (b) of the sediment passing structure of a new design - the calculated curve of the free surface of the stream; - the results of experimental studies The second type of mudflow passing structures, allowing to solve the same problem (with a decrease in the slope the sediment balance is not violated), but another design solution is a completely prismatic channel. In this case, in a section of a gentle down-hill gradient, as it is paradoxical, the bed should be built with an increasing roughness along the flow [7]. The roughness value is determined by the depth of the flow. The latter, in turn, is calculated from the differential equation obtained from the joint solution of those expressions which were also used for the first type of the mud-rock passing structure. In dimensionless values, these two dependences have the following form dh dx 3 ( i I h) h = (2) 3 h Fr p 2 3 ( β + 2) 3 h 2 p n = h (3) βp + 2h The plan and longitudinal profile of the structure are shown in Figures 3 and 4, and calculated values of h and n as a function of distance are given in Tables 2 and 3. In this case, the initial parameters of the calculations of the presented model had the following values: the slope of the upper channel I = 0.03, the flow rate Q = 38.8 l/s, the carrying capacity S m = 60 kg/m 3, the width of the entire channel b p = 0,37 m, the slope of the lower section i = 0.00, the average diameter of the sediments is d = 2.64 mm (as in the first case, several models have been tested), the diameter of the sediments is d = 2.64 mm (in this case several models have also been tested). The calculated values of h and n are given in Table 2, and in Figure 4 shows the results of the calculation (Tab. 3).

The results of a mud-rock flow controlling new facility design study 113 b p =0,37 м 0 X 1 2 Fig. 3. The plan of the pilot model of the sediment passing structure 1 - prismatic channel with slope I = 0.03, 2 - prismatic channel with enhanced roughness with slope i = 0 As can be seen from Figure 4, the similarity between them is satisfactory. Table 2. Results of calculations h = f(x,n) x [m] 0 0,5 0,75 1,0 1,25 h [m] 0.055 0.60 0.62 0.66 0.74 n 0.013 0.015 0.017 0.019 0.024 Table 3. The results of experiments on sediment passing channels with a decreasing bottom gradient Sediment passing facility (the lower section of the channel is expanding) Sediment passing facility (the bottom section of the channel with reinforced roughness) slope of the channel 0.03 0.01 distance x [m] depth of the flow h [m] slope of the channel distance x [m] depth of the flow h [m] 2.0 0.063 1.5 0.053 0.03 1.0 0.062 0.5 0.052 0.6 0.056 0 0.056 1.2 0.053 0.4 0.058 1.8 0.049 0.7 0.062 0.0 2.5 0.044 0.9 0.065 3.2 0.037 1.1 0.069 4.4 0.025 1.3 0.071 Q, S I = 0. 03 h p=0,059 м O h 1 O Fig. 4. Longitudinal profile of the structure - - design curve of the free surface of the flow; - experimental data; 1 - prismatic channel with slope I = 0.03, 2 - prismatic channel of reinforced roughness with slope i = 0.0 i=0 2 X

114 P. Baljyan, H. Tokmajyan, V. Hayrapetyan, G. Zaqaryan Here there is some discrepancy in the final section of the lower channel. An analysis of the results of experiments on the second type of structures gives rise to the following conclusion: if the results are theoretically interesting, then in terms of practical implementation of the variable roughness, there are certain technical difficulties. CONCLUSION The resulting design solutions for new types of mud-and-rock passing structures enable reliable passage of mud-and-rock flows through places where the slope of the channels is decreasing. These structures can be used to protect the roads and railways, communications, economic and other objects from destruction. REFERENCES [1] Baljian P.O., Determination of the relationship between the hydraulic flow parameters with a constant sediment carrying capacity, NAIRA and SEUA, series TN, vol. 28, N2, Yerevan 2005, 380-385. [2] Sanoyan V.G., Baljian P.O., Calculation of mudflow channels with a constant bottom gradient, Collection. Scientific Research on Hydraulic Engineering in 1975. - L.: Energia, 1977, 127-130. [3] Development of interfacing constructions of sediment transporting constructions with sediment carrying ravine, ArmNIVI Report, Under direction of V.G. Sanoyan No. ГР76075681, Inv. NB786065, Yerevan 1978, 66 p. [4] Author s certificate N 604897. Sediment transporting facility, V.G. Sanoyan, P.O. Baljian Declared. 30.04.78. // Discoveries and inventions. - 1978, N16. [5] Author's certificate N891838. Sediment transporting structure. / Sanoyan V.G., Baljian P.O. Declared. 23.12.81, Discoveries and inventions, 1981, N47. [6] To develop designs and methods for calculating mudguard structures; Report of ArmNIVI/Rukov. Under direction of V.G. Sanoyan Nom, ГР76075681, Inv. Nb998153, Yerevan 1980, 118 p. [7] Development of constructions of mudflow passing facilities with artificial roughness, Scientific report of ArmNIVI, Under direction of V.G. Sanoyan, GR 76075681, Inv. NB857097, Yerevan 1979, 42 p. WYNIKI BADAŃ KONTROLOWANEGO SPŁYWU GRUZOWEGO - NOWE STUDIUM PROJEKTOWANIA OBIEKTÓW Analiza działania układu kontrolującego zapewniającego spływ gruzowy (mieszaniny błota i skał) pozwala na wykrycie prawidłowości, a w konsekwencji mechanizmów zapewniających przepływ o określonych wartościach składników stałych i wody w przypadku różnego nachylenia kanału i parametrów jego przekroju. Aby rozwiązywać ten problem założono, że mieszanina błota i kamieni o maksymalnej gęstości porusza się w kierunku spadku pryzmatycznego złoża, wówczas jego przepływ może być kontrolowany i kierowany w strefę małych spadków kanału, zapewniając tym sposobem zdolność do przenoszenia osadów. Jednocześnie sekcje kanału, w których spadek koryta jest stosunkowo łagodny, wymagają wprowadzenia innowacji konstrukcyjnych urządzeń do regulowania spływu gruzowego. Otrzymane rozwiązania konstrukcyjne dla struktur regulujących spływ gruzowy umożliwiają niezawodną kontrolę przepływu błota i skał w kanałach o niewielkim nachyleniu. Słowa kluczowe: kanał, powódź, turbulencja, osady, spływ gruzowy

Budownictwo o Zoptymalizowanym Potencjale Energetycznym 2(20) 2017, s. 115-120 DOI: 10.17512/bozpe.2017.2.15 Arkadiusz GUŻDA, Norbert SZMOLKE Politechnika Opolska, Wydział Mechaniczny DOŚWIADCZENIA EKSPLOATACYJNE INSTALACJI Z OGNIWAMI PV W artykule zawarto informacje o instalacji z ogniwami fotowoltaicznymi, wykorzystywanymi do produkcji energii elektrycznej dla potrzeb inwestora oraz odsprzedaży. Instalacja pracuje w miejscowości Krzyżanowice na południu Polski. W części doświadczalnej tej pracy przedstawiono wyniki badań eksploatacyjnych instalacji PV. Słowa kluczowe: ogniwa fotowoltaiczne, instalacja on-grid, badania eksploatacyjne WPROWADZENIE W czasach, gdy ludzkości zagraża brak energii elektrycznej wytwarzanej w sposób konwencjonalny, chętniej spogląda się w kierunku odnawialnych źródeł energii, takich jak np. instalacje fotowoltaiczne przeznaczonych do jej produkcji na potrzeby własne inwestora oraz do odsprzedaży. Są one wyjściem naprzeciw wzrastającym rachunkom za energię elektryczną oraz degradacji środowiska naturalnego. Instalacje z ogniwami PV praktycznie nie emitują żadnych zanieczyszczeń, hałasu i są traktowane jako ekologiczne źródło energii. Główna treść tego artykułu dotyczy wyników pomiarów eksploatacyjnych, wykonanych na instalacji fotowoltaicznej (rys. 1), pracującej w miejscowości Krzyżanowice w powiecie raciborskim, woj. śląskie. Jest to instalacja, która została uruchomiona 25 sierpnia 2015 r. Jej moc maksymalna może osiągnąć wartość 9,59 kwp. Składa się z 39 paneli PV firmy Heckert Solar AG. Zaopatrzona jest w falownik Sunny Tripower 9000TL-20. Praca instalacji jest monitorowana w systemie on-line. Instalacja jest podłączona do sieci elektroenergetycznej, co pozwala inwestorowi na sprzedaż nadwyżki wyprodukowanej energii ogólnopolskiemu dystrybutorowi. Takie połączenie nazywane jest połączeniem na sieć sztywną (on-grid). To obecnie najbardziej efektywne zastosowanie paneli fotowoltaicznych. Schemat takiego połączenia pokazano na rysunku 2. W tym systemie nie ma potrzeby montowania drogich i uciążliwych w eksploatacji baterii akumulatorów [1]. Rozliczenie sprzedaży energii następuje za pomocą inteligentnego licznika energii, który mierzy ilość energii oddawanej przez system PV do sieci elektro-

116 A. Gużda, N. Szmolke energetycznej. Rozliczenia finansowe za przekazaną energię są regulowane umową dwustronną. Rys. 1. Zdjęcie badanych paneli fotowoltaicznych W dalszej części tej pracy zostaną przedstawione i omówione wybrane wyniki pomiarów eksploatacyjnych przeprowadzonych na tej instalacji fotowoltaicznej od momentu jej uruchomienia. Rys. 2. Schemat podłączenia insatalacji w systemie on-grid [2] 1. WYBRANE WYNIKI BADAŃ EKSPLOATACYJNYCH System monitorowania instalacji z panelami fotowoltaicznymi funkcjonuje od momentu jej uruchomienia, tj. od 25.08.2015 r. Wyniki są udostępniane zalogowanym użytkownikom za pomocą strony internetowej www.sunnyportal.com [3]. Na rysunkach 3-6 przedstawiono wybrane wyniki pomiarów przeprowadzonych na wspomnianej wcześniej instalacji ogniw fotowoltaicznych.

Doświadczenia eksploatacyjne instalacji z ogniwami PV 117 Na rysunku 3 pokazano wyniki pomiarów wykonanych w czerwcu 2016 r., tj. w miesiącu, w którym produkcja energii elektrycznej była największa. Na rysunku 4 pokazano wyniki ze stycznia 2016 r., a więc z miesiąca, w którym produkcja energii elektrycznej była najmniejsza. Rys. 3. Wyniki pomiarów wielkości produkcji energii elektrycznej przez instalacje PV w czerwcu 2016 r. Rys. 4. Wyniki pomiarów wielkości produkcji energii elektrycznej przez instalacje PV w styczniu 2016 r. Zaznaczona linią ciągłą wartość średniego przewidywanego poziomu produkcji energii elektrycznej została obliczona w oparciu o wieloletnie dane meteorologiczne, udostępnione przez Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej. Na rysunku 5 pokazano rozkład chwilowych mocy instalacji PV, wyznaczony w dniu 08.06.2016 r. Instalacja w tym dniu wyprodukowała największą ilość energii elektrycznej w odniesieniu do pozostałych dni 2016 roku.

118 A. Gużda, N. Szmolke Rys. 5. Rozkład chwilowych mocy instalacji PV w dniu 8 czerwca 2016 r. Według danych pochodzących z [4], w tym dniu wschód słońca miał miejsce o godzinie 4:16, a zachód 20:55. Dzień trwał 16 h 39 min. Instalacja pracowała 15 h i 45 min, a więc przez prawie 95% dostępnego czasu dnia. W najgorszym, pod względem wydajności, dniu 2016 r., tj. w dniu 7 stycznia 2016 r., w instalacji zanotowano chwilowe moce przedstawione w tabeli 1. Tabela 1. Chwilowe moce instalacji uzyskane w dniu 7 stycznia 2016 r. Godzina Moc instalacji - wartość średnia [kw] Godzina Moc instalacji - wartość średnia [kw] 9:45 0,000 12:15 0,050 10:00 0,023 12:30 0,066 10:15 0,024 12:45 0,090 10:30 0,012 13:00 0,054 10:45 0,016 13:15 0,051 11:00 0,032 13:30 0,043 11:15 0,033 13:45 0,037 11:30 0,034 14:00 0,031 11:45 0,035 14:15 0,028 12:00 0,041 14:30 0,026 W tym dniu do godziny 10:00 oraz po 14:30 w instalacji nie zarejestrowano produkcji energii elektrycznej. Na rysunku 6 pokazano zbiorcze zestawienie ilości wyprodukowanej energii elektrycznej od dnia jej uruchomienia (25.08.2015 r.) do dnia 30.03.2017 r. Instalacja w tym okresie wyprodukowała ok. 14,4 MWh energii elektrycznej.

Doświadczenia eksploatacyjne instalacji z ogniwami PV 119 Rys. 6. Wielkość produkcji energii elektrycznej podczas całego okresu jej eksploatacji Ogólnie rzecz ujmując, w prawie całym okresie eksploatacji instalacji PV produkcja energii elektrycznej była wyższa od średniego przewidywanego uzysku energii, obliczonego dla standardowych danych, pochodzących z IMiGW. 2. SPRZEDAŻ ENERGII DO SIECI ENERGETYCZNEJ Zgodnie z umową, zawartą pomiędzy właścicielem instalacji a dystrybutorem energii elektrycznej, jej nadwyżka jest, odpłatnie, zagospodarowana przez dystrybutora. Rys. 7. Wielkość produkcji energii elektrycznej, przeznaczona na potrzeby własne własciciela instalacji oraz sprzedawanej do sieci elektroenergetycznej w sierpniu 2016 r. Na rysunku 7 pokazano przykładowe wielkości energii zużywanej przez właściciela instalacji oraz sprzedawanej do sieci energetycznej w sierpniu 2016 r. W tym

120 A. Gużda, N. Szmolke miesiącu instalacja produkowała energię elektryczną, która w większej części była sprzedawana jej dystrybutorowi, co jest celem nadrzędnym dla tej instalacji. Została ona zaprojektowana i użytkowana głównie w celu produkcji energii elektrycznej przeznaczonej do odsprzedaży jej dystrybutorowi. PODSUMOWANIE W artykule przedstawiono wyniki pomiarów eksploatacyjnych instalacji z ogniwami fotowoltaicznymi, zlokalizowanej w miejscowości Krzyżanowice w powiecie raciborskim. Instalacja działa w sposób efektywny, produkując więcej energii elektrycznej w porównaniu do wielkości przewidywanych w oparciu o dane meteorologiczne. Osiągnięte wyniki wskazują jednoznacznie na opłacalność stosowania instalacji z ogniwami fotowoltaicznymi do produkcji energii elektrycznej. Podziękowanie Autorzy artykułu pragną gorąco podziękować firmie Home Instal z Krzyżanowic za udostępnienie wyników pomiarów eksploatacyjnych instalacji PV. Artykuł powstał w ramach działań statutowych Katedry Inżynierii Środowiska Politechniki Opolskiej. LITERATURA [1] Góralczyk I., Tytko R., Fotowoltaika. Urządzenia, instalacje fotowoltaiczne i elektryczne, Towarzystwo Słowaków w Polsce, Kraków 2015. [2] Podstawowe informacje o systemach fotowoltaicznych, Poradnik, www.soleopv.pl, dostęp: 21.03.2017 r. [3] www.sunnyportal.com, dostęp: 28.03.2017 r. [4] www.kalendarz-365.pl, dostęp: 28.03.2017 r. EXPLOITATION EXPERIMENTS WITH RESPECT TO INSTALLATIONS WITH PV CELLS This paper contains basic information regarding the use of installations comprising photovoltaic cells for electricity generation for investor and for its resale. The installation under study is located in Krzyżanowice in the south of Poland. The experimental part of this paper reports on the results of operational tests of PV installations. Keywords: photovoltaic cells, on-grid installation, operational tests

Budownictwo o Zoptymalizowanym Potencjale Energetycznym 2(20) 2017, s. 121-128 DOI: 10.17512/bozpe.2017.2.16 Леван ИТРИАШВИЛИ, Инга ИРЕМАШВИЛИ Грузинский технический университет, Институт водного хозяйства им. Ц. Мирцхулава Адам УЙМА Ченстоховский политехнический институт, Строительный факультет УСТРОЙСТВО ЗЕЛЁНОЙ КРОВЛИ НА ПЕРЕКРЫТИЯХ С МАЛОЙ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТЬЮ Разработан новый водоаккумулирующий состав грунтового слоя. Приводятся его характеристики, количественный и качественный состав компонентов и технология приготовления. Предлагается унифицированная кассетная технология устройства зелёных перекрытий. Оценивается возможность применения данной разработки в условиях Польши. Ключевые слова: зелёная крыша, торф, полиминеральная смесь, аккумуляция воды ВВЕДЕНИЕ Устройство покрытий кровли зданий с зелёными насаждениями является очень перспективным направлением в современной архитектуре и в технологии строительства. Наблюдая за опытом ведущих стран мира: США, Канады, Германии, Норвегии, Китая и т.д. можно сделать выводы, что зелёная кровля имеет ряд преимуществ по сравнении с традиционной кровлей. Она даёт возможность получить эстетические и экологически чистые, энергоэффективные перекрытия зданий. Эти покрытия защищают здания и сооружения от солнечной радиации и других атмосферных явлений, а также дают возможность лучше управлять сточными дождевыми водами, используя их для ухода за городскими зелёными насаждениями. Уменьшают эффект теплового острова в городе и снижают альбедо поверхности крыши. Зелёные насаждения устраиваются, как на кровле зданий, так и на специально запроектированных балконных выступах вокруг жилых комплексов, на перекрытиях гаражей, складов, а также на вертикальных поверхностях стен зданий и сооружений. Всё это требует нового современного архитектурного мышления и специального конструирования элементов сооружений. В особенности это касается проектирования и использования необходимых слоёв в виде сандвича (пирога) для посадки растений. Стандартная схема устройства зелёного горизонтального покрытия представлена на рисунке 1.

122 Л. Итриашвили, И. Иремашвили, А. Уйма Рис. 1. Классическая схема размещения слоёв под зелёные насаждения Устройство таких конструкции возможно лишь на специально запроектированных для этого зданиях (рис. 2) с соответственно очень высокой несущей способностью перекрытий [1-3]. Рис. 2. Примеры осуществления зелёных насаждений на стенах и кровли зданий При проектировании зелёной кровли важное значение имеет подбор грунтовых субстратов с учётом высаживаемых растений. Грунты, которые применяются на крыше, должны быть тёплыми, пористыми, влагоёмкими, иметь небольшой вес и почва должна быть устойчива к уплотнению. Состав почвы и высота слоя зависит от подбора растений. Если зелёная кровля будет складываться из почвопокровных растений, то грунтовый слой достаточен толщиной 5 10 см. Если подобраны растения, использующиеся для декора

Устройство зелёной кровли на перекрытиях с малой несущей способностью 123 с развитой корневой системой, то толщина грунта может достигнуть 50 80 см (рис. 3). Следует отметить, что существующие в настоящее время конструкции имеют большой вес, что и диктует необходимость проектирования особых перекрытий с высокой несущей способностью. толщина слоя, см 80 60 30 20 15 кг/м 2 1200 900 450 350 250 нагрузка кн/м 2 11,8 8,8 4,4 3,4 2,5 Рис. 3. Нагрузки на кровлю при разных толщинах слоя грунта Проблема устройства зелёных перекрытий весьма актуальна для многих городов, в том числе и г. Тбилиси, где находится большое количество здании старой постройки с плоскими перекрытиями, имеющих сравнительно низкую несущую способность в пределах 80 150 кг/м 2 (0,78 1,47 кн/м 2 ). Это определяет необходимость использования облегчённых конструкций - рациональной схемы устройства покрытий и лёгкого эффективного субстрата для посадки растений [4]. Этот приём не мене интересный для зданий с более высокими требованиями относительно нагрузок на кровле. Особенно это касается городов расположенных в районах с большими снеговыми осадками, что характерно для многих европейских территорий, в том числе и Польши. Благодаря снижению нагрузок от растительного слоя можно также облегчить всю конструкцию перекрытия. Важным вопросом при проектировании зелёных покрытий является правильный подбор грунта для качественного роста растений с учетом климатических условий региона, в котором эксплуатируется здание. 1. ПОДБОР ГРУНТА ДЛЯ ЗЕЛЁНОЙ КРОВЛИ Проведенный анализ показал, что торфяной грунт является одним из лучших субстратов для выращивания растений. Это дешёвый материал и обладает благоприятными водно-воздушными свойствами, имеет пористую структуру, создающую хорошие условия для развития корневой системы растений, не содержит семян сорняков и возбудителей болезней растений.

124 Л. Итриашвили, И. Иремашвили, А. Уйма Сорбционные свойства торфа и его высокая влагоёмкость позволяют увеличивать содержание элементов питания, не создавая повышенную концентрацию солей. Органическое вещество торфа в процессе разложения продуцирует углекислый газ, необходимый растениям при выращивании в теплицах [5, 6]. Торф является надежным фактором стабильности структуры почвогрунта и оптимального его физического состояния. Помимо косвенного влияния торфа на растение путем создания лучших физических условий в среде (по сравнению с не торфяными грунтами), существует и прямое воздействие определенных веществ торфа, используемых растениями в качестве строительного материала или в качестве биокатализаторов, регулирующих процессы метаболизма. Это влияние хорошо проявляется в критических (стрессовых) ситуациях, например во время избытка или недостатка влаги, света, тепла. Применение торфа в качестве почвы в этих случаях снижает вред от воздействия неблагоприятных условий среды. Для приготовления грунта пригодны все типы торфа - верховой, переходный, низинный. Насыпная плотность сухого торфа небольшая - 80 100 кг/м 3, что облегчает работу с ним и ликвидирует необходимость рыхления. Торф обладает структурой, сравнительно долго поддающейся действию микробиологического разложения и заиливанию. Анализ требования к торфяному грунту показал, что он должен иметь кислотность ph вод в пределах 2,0 3,0, содержание органического вещества в пределах 30 60%, плотность - 0,3 0,4 г/см 3, размер частиц - от 1 до 5 мм, содержание воздуха - 20 30%, воздухоёмкость - более 75%, показатель дренированности - 18 20 мм/мин. Устройство зелёных покрытий весьма перспективно в экологическом, энергетическом и эстетическом отношении, так для условий Грузии, как и Польши. Весьма актуальной также является задача по снижению нагрузки зелёного ковра на перекрытия, упрощения конструкции и технологии устройства, снижения себестоимости, исключения просачиваемости воды и в течении длительного времени обеспечения оптимального водно-воздушного режима для растений. Однако высокая набухаемость при наводнении и усадка при потере влаги (до 50% от объёма), а также высокое содержание недоступной для растении воды (ММВ = 30 35%) требует проведения частых поливов, что в условии плоских перекрытий является нежелательным. Учитывая вышесказанное, предлагается совершенно новый, грунтовый слой состоящий из 45 кг измельченного сухого торфа с содержанием частиц размером 1.0 5.0 мм и 2,5 кг нового водоаккумулирующего 4000 5000% от объёма композита [7, 8]. Сила набухания композита весьма незначительна и даже при максимальном набухании корни растении не повреждаются. Технология изготовления 1 м 2 этого слоя состоит из следующих операций: измельчение торфа; просеивание для получения необходимого дисперсного состава; приготовление 20 л 2,5% суспензии бентонита (Б); приготовление 20 л - 0,05% раствора полиэлектролита (ПЭЛ);

Устройство зелёной кровли на перекрытиях с малой несущей способностью 125 перемешивание суспензии Б и раствора ПЭЛ до получения гомогенной суспензии (ГС); перемешивание торфа и ГС; сушка и использование по назначению. В процессе перемешивания гомогенная суспензия Б и ПЭЛ целиком или полностью обволакивает частицы грунта и после сушки превращается в недиспергирующий в воде экологически чистый, стойкий к химическому, биологическому и температурному воздействию, сильно-набухающий композит, способный аккумулировать до 50 своих объёмов воды. Немаловажно также отметить, что в предлагаемом грунтовом слое до 50% воды аккумулируется композитом, что резко снижает набухание усадку торфа, а вся аккумулированная вода доступна растениям. Вышеприведенное позволяет, с целью упрощения и удешевления устройства зелёных покрытий, предложить кассетную систему производства работ (рис. 5-8). Рис. 5. Схема устройства «сэндвича» под зелёные насаждения Рис. 6. Схема конструкции кассеты: 1 - кассета; 2 - грунт; 3 - мелкопористая мембрана - барьер для растения (геотекстиль); 4 - сетка Рис. 7. Общий вид пластмассовой сборной кассеты

126 Л. Итриашвили, И. Иремашвили, А. Уйма - кустарник или низкорослое дерево - цветочно-травянистое покрытие - площадка Рис. 8. Схема кассетного устройства зеленого покрытия 2. ПАРАМЕТРЫ ПОЧВЕННОГО СЛОЯ Аккумулированная композитом вода не удаляется гравитационным путем. Удаление ее возможно либо в процессу очень медленного испарения или путем всасывания корневой системой растений (рис. 9). Рис. 9. Потери аккумулированной влаги во времени На основании экспериментальных данных получена была зависимость изменения по времени объёма воды в слое грунта, в предлагаемой кассете. Зависимость имеет хороший показатель сходимости R 2 = 0,9995 с экспериментальными данными: W = 0,0005τ 6 0,0225τ 5 + 0,4062τ 4 3,7418τ 3 + 19,172τ 2 58,213τ + 119,66 где: W - объём воды [л], τ - время, сутки.

Устройство зелёной кровли на перекрытиях с малой несущей способностью 127 Предлагаемый основной вариант почвенного слоя толщиной 15 см имеет следующие характеристики: объём - 0.15 м 3 ; масса - 45 кг; об. масса - 0.3 т/м 3 ; уд. масса - 1,5 т/м 3 ; пористость - 80% от объёма (0,12 м 3 ); полная влагоёмкость - практический отсутствует. Нагрузка на кровлю от почвенного слоя при разной его толщине приведена в таблице 1. Таблица 1. Нагрузка от почвенного слоя толщина слоя [см] 15 20 25 30 нагрузка кг/м 2 165 220 275 330 кн/м 2 1,6 2,2 2,7 3,2 ЗАКЛЮЧЕНИЕ Предлагаемый кассетный метод по сравнению с существующими сплошными методами, помимо низкой нагрузки на перекрытие и высокой степени аккумулирования дождевой воды, отличается рядом преимуществ: исключается дополнительная гидроизоляция перекрытий, что существенно снижает нагрузку, удешевляет и упрощает технологию производства работ; при необходимости легко осуществляется замена кассет и их перестановка для создания нового растительного покрова и ландшафта; позволяет осуществлять устройство зелёных зон на любых уже существующих перекрытиях без существенной их реконструкции и производства сложных и дорогостоящих работ. Естественно, что из растительности следует подбирать такие, которые подходят к местным климатическим условиям и имеют горизонтальную корневую систему. По предлагаемой технологии еще проще устраивать зелёные покрытия на уже эксплуатируемых зданиях. Так как в таких зданиях кровля уже сооружена и для получения зелёных покрытий, необходимо устроить только финишные слои покрытий - это барьер для корней, фильтрующий слой, грунт в кассетах и, соответственно, растения. Все это характеризуется относительно малым весом, поэтому для устройства зелёных покрытий нет необходимости серьёзного перерасчета конструкций покрытий и, соответственно, производства дорогостоящих работ по усилению конструктивных элементов. В Польше существует возможность получить дотацию на возведение зелёной крыши на существующих зданиях, а также необходимой инфраструктуры для поддержания зелени, в том числе (в оправданных случаях) строительство новой конструкции крыши. Приоритет будет отдаваться проектам, реализуемым в районах с избыточными стандартами качества воздуха (для которых существует Программа защиты воздуха).

128 Л. Итриашвили, И. Иремашвили, А. Уйма ЛИТЕРАТУРA [1] Toronto Green Roof Construction Standard - http://www6.mississauga.ca/onlinemaps/planbldg/ MUDR/Toronto%20-%20Green%20Standards.pdf. [2] Lstiburek W.I., Seeing Red Over Green Roofs// ASHRAE, 2011. [3] Езугбая З.А., Иремашвили И.Р., Зелёное покрытие как экологически чистая и энергоэффективная технология в строительстве. Сборник научных трудов 70 Института водного хозяйства им. Ц. Мирцхулава Грузинского технического университета, Тбилиси 2015, с. 56-60. [4] Езугбая З.А., Иремашвили И.Р., Мсхиладзе Н.Г., Чеишвили Ш.Н., Улучшение экологического состояния в городах грузии путем устройства зеленых покрытий на крышах зданий и сооружений. V международная научно-техническая конференция Современные проблемы водного хозяйства, охраны окружающей среды, архитектуры и строительства. Сборник научных трудов, Тбилиси 2015, с. 73-85. [5] Ефимов В.Н., Торфяные почвы. Россельхозиздат, М., 1980, 120 с. [6] Итриашвили Л.А., Целевое управление свойствами грунтов. Монография, «Мецниереба», Тбилиси, 2005, 326 с. [7] Езугбая З.А., Итриашвили Л.А., Иремашвили И.Р., Упращенная технология устройства зеленой кровли с использованием нового состава почво-грунтов. VI международная научно-техническая конференция Современные проблемы водного хозяйства, охраны окружающей среды, архитектуры и строительства. Сборник научных трудов, Тбилиси 2016, с. 52-56. [8] Езугбая З.А., Итриашвили Л.А., Иремашвили И.Р., Технология устройства зеленой кровли для плоских перекрытий г. Тбилиси. Сборник научных трудов 71 Института водного хозяйства им. Ц. Мирцхулава Грузинского технического университета, Тбилиси 2016, с. 32-37. DEVICE GREEN COVERING OF ROOFS WITH SMALL CARRIED CAPACITY There is treated new water accumulate containing for ground layers. There is presented its characteristics, properties and quantities and qualities containing of components and technology of preparing. There is proposed uniforms cluster technology of implementation green roofing. The possibility of using this development in the conditions of Poland is assessed. Keywords: green roof, peat, poly mineral mixture, water accumulate

Budownictwo o Zoptymalizowanym Potencjale Energetycznym 2(20) 2017, s. 129-134 DOI: 10.17512/bozpe.2017.2.17 Алексей ВЕРХОВСКИЙ, Нина УМНЯКОВА НИИСФ РААСН Минстроя России ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ НАРУЖНЫХ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ В ХОЛОДНЫХ КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ Значимой проблемой при проектировании наружных ограждающих конструкций (в том числе светопрозрачных) для холодных климатических зон России и других стран, является оценка возможности и допустимости их применения. В настоящий момент критерий оценки применимости в явном виде в нормативных документах отсутствует. Авторами проведен большой объем экспериментальных и теоретических работ с целью выработки критериев оценки диапазона применимости данного класса конструкций для различных климатических регионов России. Ключевые слова: светопрозрачные ограждающие конструкции, климатические характеристики, температура наиболее холодной пятидневки, температура на поверхности конструкции, термические деформации конструкции ВВЕДЕНИЕ В холодных климатических зонах расположено всего несколько стран, таких как Россия, Канада, Норвегия, отдельные регионы Швеции, Финляндии и США. При этом с точки зрения строительной климатологии, Россия находится в наиболее неблагоприятных условиях (рис. 1). Основной ролью наружных ограждающих конструкций зданий и сооружений является защита внутренних объемов от воздействия внешних агрессивных факторов, таких как низкие температуры наружного воздуха, воздействие ветра, дождя, шума. Светопрозрачные ограждающие конструкции должны при этом обеспечивать визуальную связь человека с внешним миром. Оценка энергетического баланса здания - серьезная многофакторная задача. При этом необходимым требованием является обеспечение комфортных условий внутреннего микроклимата. Ошибки в выборе ограждающих конструкций и допустимых условий их эксплуатации могут привести как к повышенным энергозатратам на эксплуатацию здания, так и к фактической невозможности соблюдения параметров микроклимата.

130 А. Верховский, Н. Умнякова Рис. 1. Климатические регионы России. Приложение А [1] 1. КЛИМАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ Под климатическими характеристиками понимается комплекс параметров наружного воздуха, характеризующий регион строительства. В России основной набор климатических характеристик определяется [1]. В данном документе приведены основные климатические характеристики регионов России для холодного и теплого периодов года. Некоторые из них напрямую определяют применимость ограждающих конструкций для региона строительства, такие как температура наиболее холодной пятидневки, минимальные температуры наиболее холодных суток и абсолютные минимальные температуры, суточные амплитуды температуры. Кроме того, в качестве значимого параметра для оценки теплотехнических характеристик ограждающих конструкций и оценки воздействия экстремальных перепадов температур на конструкции может быть использован типовой климатический год для региона строительства [2]. Данный подход пока не нашел в России широкого применения ввиду трудоемкости и необходимости дополнительной обработки большого объема метеорологических данных. Параметры микроклимата в помещении определяются требованиями [3]. При этом температура внутреннего воздуха зависит от значения температуры наиболее холодной пятидневки для региона строительства. Суточные колебания температуры для отдельных регионов России могут достигать 30 С, что весьма существенно для малоинерционных ограждающих конструкций.

Особенности применения наружных ограждающих конструкций 131 2. ОЦЕНКА ПРИМЕНИМОСТИ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ КЛИМАТИЧЕСКИХ РЕГИОНОВ СТРОИТЕЛЬСТВА 2.1. Ограждающие конструкции зданий и сооружений Основные требования к уровню теплозащиты ограждающих конструкций зданий определяются требованиями [4]. При этом имеют место 3 основных подхода к определению требуемых значений теплотехнических характеристик конструкций: поэлементный (приведенное сопротивление теплопередаче конструкции выбирается согласно требований); санитарно-эпидемиологический (нормируется минимальная температура на внутренней поверхности); интегральный на основании разработки «Энергетического паспорта здания». Как показала строительная практика, а также многолетний опыт проведения экспертиз на объектах строительства, даже формальное выполнение требований [4] зачастую не обеспечивает выполнения условий комфортности во внутренних помещениях зданий и требования по соблюдению энергоэффективности. Использование ограждающих конструкций с высокими уровнями теплозащиты не позволяет в натурных условиях с достаточной точностью провести оценку теплотехнических характеристик наружных ограждающих конструкций. Использование только расчетных моделей может привести к существенным ошибкам в выборе технического решения и требуемого значения уровня теплозащиты. Наличие дефектов монтажа может существенно усложнить ситуацию, сделав эксплуатацию здания весьма затратной, а условия микроклимата некомфортными. На рисунках 2-3 приведены фотографии испытаний фрагмента стеновой конструкции с наружным утеплением и установленным оконным блоком в климатической камере КТК-2007 НИИСФ РААСН. Как показали результаты лабораторных испытаний, испытанная конструкция непригодна для использования даже для климатических условий центральной России. За счет ошибок проектирования и нарушения условий монтажа конструкции, приведенное сопротивление теплопередаче конструкции было практически в 2 раза ниже требований [4], по температуре на внутренней поверхности конструкции требования [4] также не соблюдались. В ходе научно-исследовательской работы и нескольких этапов 2-х и 3-х мерного моделирования теплотехнических характеристик, техническое решение было оптимизировано. Стоит при этом заметить, что для непрозрачных элементов ограждающей конструкции существенная зависимость теплотехнических характеристик от перепадов наружного и внутреннего воздуха незначительна. Снижение их может быть вызвано только повышенной

132 А. Верховский, Н. Умнякова инфильтрацией через фрагменты ограждающей конструкции, либо влагонакоплением в теплоизолирующих слоях. Рис. 2. Вид углового фрагмента блок-комнаты с установленным трехстворчатым оконным блоком с наружной стороны Рис. 3. Образование конденсата и наледи на нижней краевой зоне стеклопакета, на створке, на нижней части откоса, а также образование наледи на нижней части откоса под открывающейся створкой оконного блока в теплой зоне климатической камеры КТК-2007 2.2. Светопрозрачные ограждающие конструкции В отличие от непрозрачных элементов ограждающих конструкций, теплотехнические характеристики светопрозрачных конструкций напрямую зависят