Analiza cyrkulacji powietrza i przewietrzania polis
Wiatr jest poziomym lub prawie poziomym ruchem powietrza względem powierzchni Ziemi wywołanym różnicą ciśnień. Na terenie otwartym, niezabudowanym jego działanie jest modyfikowane przez ukształtowanie terenu i zróżnicowanie materiałowe podłoża, które nagrzewa się w odmienny sposób. Na obszarach silnie zurbanizowanych zjawiska aerodynamiczne na poziomie wysokości zabudowy są bardzo złożone. Powietrze nie trafia bowiem na płaskie podłoże, ale na silnie zdeformowaną powierzchnię, w większości utwardzoną, a więc nagrzewającą się znacznie intensywniej niż otaczający teren.
W tym samym czasie na stosunkowo niewielkim obszarze ruch powietrza może się odbywać w różnych kierunkach i z różnymi prędkościami. Strefa zastoju powietrza może sąsiadować z miejscami jego gwałtownego przyspieszenia. Charakterystyczne, opisane teoretycznie zjawiska zachodzące przy zderzeniu powietrza z wolno stojącym budynkiem ulegają zwielokrotnieniu i wzajemnie na siebie wpływają na obszarach intensywnie zabudowanych. Charakterystyka geometryczna zabudowy jest czynnikiem najsilniej wpływającym na charakter zjawisk aerodynamicznych w miastach, przy czym tylko częściowo można je przewidzieć — ich pełne rozpoznanie wymaga badań doświadczalnych.
schemat ruchu powietrza wokół budynku wolno stojącego o planie prostokątnym (wg Klausa Danielsa)
© archiwum Katarzyny Zielonko-Jung
Zagadnienia opływu wiatru wokół zabudowy mieszczą się w zakresie aerodynamiki — działu fizyki zajmującego się mechaniką płynów (Fluid Dynamics FD, Computational Fluid Dynamics CFD). Bada ona zjawiska związane z ruchem płynów (cieczy i gazów), a także ruchem ciał stałych w płynach. Aerodynamika, stosowana początkowo na potrzeby przemysłów samolotowego, motoryzacyjnego czy sportowego, stopniowo rozszerzyła swoje zastosowania na nowe pola, w tym także na architekturę i urbanistykę. Inżynieria wiatrowa jest dziedziną, która ugruntowała się w ciągu ostatnich kilkudziesięciu lat. W odniesieniu do budynków można ją podzielić na pola związane z zagadnieniami konstrukcyjnymi, wentylacji budynków i środowiska otaczającego zabudowę; to ostatnie jest ściśle związane z jakością klimatu miast.
znaczenie wiatru dla jakości powietrza w miastach
Wiedza na temat układu aerodynamicznego wokół zabudowy i możliwości jego optymalizowania jest niezwykle istotna wobec problemów związanych ze zjawiskiem miejskiej wyspy ciepła i znacznym zanieczyszczeniem powietrza w miastach. Od kilku lat nie jest to już problem, który wydaje się teoretyczny i wyolbrzymiony przez ekoentuzjastów. Wraz z codziennymi komunikatami o intensywności smogu w poszczególnych polskich miastach, które wpływają na decyzje na przykład o rezygnacji ze spacerów z dziećmi czy wkładaniu masek chroniących układ oddechowy, problem stał się realny, odczuwalny i niepokojący. Smog można zobaczyć i poczuć, już nie tylko w metropoliach Chin czy Indii, ale także w Krakowie czy Gliwicach. Jedną z przyczyn zalegania smogu jest niedostateczna wentylacja przestrzeni miejskich. Według klimatoznawców prędkość wiatru na terenie dużych miast jest redukowana o 20–30 procent rocznie, jest to głównie hamowanie naturalnego ruchu powietrza przez zabudowę. Zapewnienie właściwej wymiany powietrza w miastach powinno być jasno postawionym celem w planowaniu przestrzennym. Przykładem takiego myślenia jest projekt rozwoju przestrzennego Warszawy Tadeusza Tołwińskiego stworzony w 1916 roku w ramach „Szkicu Planu Regulacyjnego Warszawy”. Promienisty układ zielonych niezabudowanych pasm stanowi drogę napływu powietrza z obszarów zewnętrznych do centrum, a dostarczają go wiatry lokalne lub miejska bryza w dni bezwietrzne (okres wiatrów słabych i ciszy atmosferycznej w Warszawie to nawet 30 procent roku). Od lat 90. pasma napowietrzające uwolnione są od administracyjnej ochrony gruntów rolnych i stały się najbardziej atrakcyjnymi lokalizacjami pod inwestycje mieszkaniowe. Wzniesiono na ich terenie ekskluzywne osiedla, jednym z pierwszych był EkoPark. Jego realizacji towarzyszyły żarliwe dyskusje (w tym także na łamach prasy architektonicznej) przeciwników jego powstania broniących nienaruszalności korytarzy i tych, którzy wykazywali, że nie są efektywne jako system wentylacji w skali całego miasta i można je częściowo zabudować.
układ korytarzy napowietrzających Warszawę w stanie współczesnym
rys.: Piotr Łuszczyński © archiwum Katarzyny Zielonko-Jung
Układ korytarzy napowietrzających, choć już uszczuplony, nadal jest chroniony przez „Studium uwarunkowań i kierunków zagospodarowania przestrzennego Warszawy”. Jego zapisy zezwalają na wprowadzanie budynków w tym obszarze, pod warunkiem jednak, że nie ograniczą one swobodnego przepływu mas powietrza. Jest to też jedna z wyjątkowych sytuacji, kiedy wymagane są symulacyjne badania aerodynamiczne w procesie projektowania, niezbędne, by udowodnić, że ten warunek zostanie spełniony.
Przewietrzanie przestrzeni miejskich odbywa się nie tylko poprzez pasma otwartych terenów. W skali mniejszych obszarów — dzielnic czy osiedli — długie ulice o stosunkowo zwartej zabudowie także umożliwiają lokalnym wiatrom płynny ruch (układ „przepuszczalny” dla wiatru). Zakłócają go zamknięte układy zabudowy („nieprzepuszczalne” dla wiatru), tworzące wielokąty lub zamknięte pętle. Właściwie rozplanowany układ ulic i przerw między długimi ciągami zabudowy może tworzyć układ korytarzy „niższego rzędu”, uzupełniający główny system korytarzy napowietrzających lub zastępujący go w przypadku utraty ciągłości.
Dobrym przykładem optymalizacji aerodynamicznej układu zabudowy jest projekt dzielnicy Freiburga (proj. Günter Pfeifer). Budynki o podłużnym planie zbudowano zgodnie z występującymi w rejonie wiatrami. Całe miasto, położone na pofałdowanym terenie, podlega działaniu dwóch wiatrów bryzowych — znad gór i znad dolin — które wieją w różnych porach doby. Nowa dzielnica, zlokalizowana na obrzeżach miasta, dość intensywnie zabudowana, została tak zaprojektowana, by wiatry mogły swobodnie przepływać przez korytarze ulic, zapewniając wymianę powietrza.
projektowany plan nowej dzielnicy podążający za kierunkami wiatrów bryzowych (proj.: G. Pfeifer); strzałki niebieskie pokazują kierunek bryzy górskiej występującej w nocy do wczesnego rana, strzałki czerwone — bryzy znad dolin występującej od południa do późnego popołudnia (wg Klausa Danielsa)
© archiwum Katarzyny Zielonko-Jung
intensywność zabudowy a przewietrzanie miasta
Istotnym, a rzadko podnoszonym problemem dużych polskich miast w kontekście jakości powietrza jest niedostateczna kontrola procesu dogęszczania zabudowy. Skutkiem realizacji idei miasta zwartego (compact city), jak najbardziej uzasadnionej jako przeciwdziałanie zjawisku nadmiernego, niekontrolowanego rozrostu terytorialnego miast (urban sprawl), jest znaczny wzrost intensywności zabudowy. Polityka deweloperów, którzy stanowią podmiot obecnie najsilniej wpływający na decyzje projektowe, nastawiona jest na maksymalne wykorzystanie terenu i wyciśnięcie jak największej powierzchni użytkowej, którą można sprzedać. Niedostatecznie przemyślane miejscowe plany zagospodarowania bądź decyzje o warunkach zabudowy i mało szczegółowe przepisy odnoszące się do wybranych tylko parametrów środowiskowych (np. nasłonecznienia i przesłaniania, co ma wpływ na dostęp światła dziennego do wnętrz) umożliwiają wznoszenie zespołów budynków nieprawidłowo zaprojektowanych pod względem procesów wymiany powietrza. Jest to najbardziej widoczne na przykładzie współcześnie projektowanej zabudowy kwartałowej.
uwidoczniony zastój powietrza w dziedzińcu zabudowy kwartałowej; fotografia badań wizualizacyjnych wykonywanych metodą dymową
fot.: Marta Poćwierz © archiwum Katarzyny Zielonko-Jung
Badania teoretyczne dowodzą, że w przypadku szczelnie zabudowanych wnętrz urbanistycznych, na przykład ulic i placów czy dziedzińców, może wystąpić zjawisko zastoju powietrza bądź cyrkulacji powietrza w obrębie tych wnętrz, bez jego wymiany. Dzieje się tak w przypadku ciasnych wnętrz, kiedy odległość między budynkami w stosunku do ich wysokości jest zbyt mała. Analizując badania naukowe, można oszacować, że ryzyko to występuje, gdy szerokość jest mniejsza niż 1,5-krotność wysokości. Wystarczy dobrze przyjrzeć się mapom Google dużych polskich miast, by zauważyć, że duża część współcześnie wznoszonych kwartałów, szczególnie w obszarach śródmiejskich bądź dobrze skomunikowanych z centrum modnych dzielnic, przekracza proporcje geometryczne uznane za wolne od tego ryzyka.
Występowanie zjawiska zastojów powietrza w obrębie kwartałów realizowanych w ciągu ostatnich kilku lat potwierdziły badania autorki prowadzone we współpracy interdyscyplinarnej z Zakładem Aerodynamiki Wydziału Mechanicznego Energetyki i Lotnictwa Politechniki Warszawskiej. Wybrane przykłady realizacji zostały poddane modelowym badaniom eksperymentalnym w tunelu aerodynamicznym.
Wykorzystano badania eksperymentalne wizualizacyjne metodą olejową. Model kwartału zabudowy wraz z budynkami sąsiednimi w skali 1:400 został przytwierdzony do szklanej podstawy w kolorze czarnym, pomalowanej mieszaniną oleju i białego pigmentu. Podstawę wraz z modelem umieszczono w tunelu i poddano symulacji wiatru. Podczas badania rozprowadzony na powierzchni olej jest zdmuchiwany z obszarów o dużej prędkości przepływu, a gromadzi się w miejscach, gdzie przepływ jest znacznie mniej dynamiczny. Powstały w ten sposób obraz dostarcza informacji na temat uśrednionych w czasie prędkości oraz kierunków wiatru. Wizualizację przeprowadzono dla dwóch przeważających kierunków wiatru — północnego i zachodniego.
model zabudowy kwartałowej analizowanej za pomocą badań tunelowych
© archiwum Katarzyny Zielonko-Jung
Jednym z przykładów jest kwartał usytuowany w śródmieściu Warszawy o prostokątnym układzie z dziedzińcem podzielonym na trzy części. Zabudowa ma wysokość 5 kondygnacji. Proporcje wysokości budynków do odległości między nimi w wybranych miejscach wynoszą mniej niż 1. Badania pozwoliły zaobserwować rozległe strefy zastoju w obu dziedzińcach przy obu badanych kierunkach wiatru.
przepływ powietrza przez kwartał przy wietrze od zachodu i północy, fotografia z badań tunelowych metodą olejową z oznaczeniami odpowiadającymi kierunkom opływu powietrza, zakreskowano zaobserwowane strefy zastoju powietrza
fot.: Marta Poćwierz © archiwum Katarzyny Zielonko-Jung
Odczuwalnym skutkiem zastojów powietrza w przestrzeniach miejskich jest obniżenie komfortu użytkowania takich przestrzeni (zaleganie zapachów i mgieł, w okresach gorących najczęściej przegrzewanie) oraz niekorzystny wpływ na budynki (ograniczenie możliwości wentylacji naturalnej, przegrzewanie latem).
Opisane tu badania były rozwijane w kierunku możliwości korygowania geometrycznego analizowanych kwartałów przez wprowadzanie bram lub otwarć bez zasadniczych zmian obrysu planu zabudowy. W większości przypadków korekty przyniosły bardzo słabe efekty, uzależnione między innymi od tego, czy wprowadzone otwarcie kwartału łączyło jego wnętrze z ulicą dobrze wentylowaną czy przesłoniętą od wiatru. Na ogół dopiero radykalna zmiana — na przykład eliminacja jednego ze skrzydeł kwartału — przynosiła znaczącą poprawę wentylacji jego wnętrza. Badania te dowodzą, z jak skomplikowanym zagadnieniem mamy do czynienia i jak mało jest on rozpoznany.
Zaobserwowany problem można uznawać za lokalny, o niewielkim zakresie oddziaływania, trzeba mieć jednak świadomość, że projektowanie zespołów zabudowy o podobnym do tego, wadliwym ze względu na zjawisko wentylacji układzie geometrycznym jest częste. Jeśli założyć, że tego rodzaju problem zostanie zwielokrotniony na obszarze dotkniętym zjawiskiem miejskiej wyspy ciepła i wysokim zagrożeniu zalegania zanieczyszczeń, to należy go uznać za poważny dla miasta jako całości.
komfort wiatrowy użytkowników przestrzeni miejskich
Układ przepływu powietrza w przestrzeniach między budynkami kształtuje komfort aerodynamiczny odczuwany przez przechodniów. Można go opisać przez efekty mechaniczne i termiczne. Wiatr o prędkości 2 m/s jest jedynie odczuwalny na skórze, do 4 m/s staje się uciążliwy, rozwiewa włosy, unosi kurz i luźne papiery. Wiatr powyżej 5 m/s staje się niekomfortowy, pomiędzy 9 a 10 m/s nie da się otworzyć parasola, powyżej 10 m/s trudno chodzić. Wiatr powyżej 15 m/s przewraca ludzi.
Określenie najbardziej pożądanych warunków przepływu wiatru tworzących kryteria komfortu wiatrowego zależy od rodzaju przestrzeni miejskiej i jej przeznaczenia (np. parkingi, główne drogi, obszary zgromadzeń, wejścia, miejsca otwarte), od pory roku, rodzaju spodziewanej aktywności ludzi i innych czynników. Przyjmuje się zasadę, że prędkość wiatru w obszarze ruchu pieszego nie powinna przekraczać 5 m/s przez więcej niż 20 procent czasu w stosunku rocznym. Jeżeli prędkość wiatru jest mniejsza niż 1 m/s przez 90 procent czasu, mało prawdopodobne jest, by dany teren był dostatecznie przewietrzany. Określenie przedziałów komfortu w zakresie intensywności ruchu powietrza wymaga korelacji prędkości wiatru i temperatury. Potrzeba ochrony przed wiatrem pojawia się, gdy temperatura spada poniżej -5°C, a prędkość wiatru przekracza 1 m/s. Niewystarczająca wentylacja następuje zaś przy temperaturze powyżej 25°C i prędkości wiatru poniżej 3 m/s.
praca w laboratorium Zakładu Aerodynamiki Wydziału Mechanicznego Energetyki i Lotnictwa Politechniki Warszawskiej nad badaniami eksperymentalnymi prowadzonymi w ramach seminarium magisterskiego dla studentów Wydziału Architektury PW — ustawianie modelu w tunelu aerodynamicznym
fot.: Katarzyna Zielonko-Jung
Przepływ powietrza na terenach silnie zurbanizowanych jest w dużym stopniu zależny od parametrów geometrycznych zabudowy. Do najbardziej charakterystycznych efektów aerodynamicznych występujących w sąsiedztwie zabudowy należą gwałtowne porywy przy średniowysokich, wysokich i wysokościowych budynkach — przy ścianach (po stronie nawietrznej) i w narożach budynków. Można temu przeciwdziałać przez świadome kształtowanie parterów budynków i zieleni w ich bezpośrednim otoczeniu, a w przypadku narożników — przez zaokrąglanie ich lub tworzenie „wklęsłych” uskoków. Charakterystyczny jest także tzw. efekt dyszy (nazywany także efektem przewężenia przepływu). Powstaje w sytuacji, gdy odległość między budynkami ulega zdecydowanemu zwężeniu, w przypadku klinowatego układu ulic albo niezbyt rozległego przerwania długiego ciągu zabudowy. Efekt ten jest charakterystyczny dla polskich osiedli blokowych z wielkiej płyty, gdzie przy stykach ścian szczytowych długich bloków dochodzi na nagłych, niezwykle silnych porywów wiatru, nawet przy słabej wietrzności wokół.
Zauważalne jest także zjawisko silnego ukierunkowania powietrza w szczelnie zabudowanych ulicach. Kierunek wiatru wpadającego w tego rodzaju przestrzeń ulega korekcie do zgodnego z układem zabudowy, często także prędkość wiatru ulega zwiększeniu. Tego rodzaju efekt, nazywany efektem kanału, połączony z opisanym wcześniej efektem dyszy, można zaobserwować w przestrzeni najsłynniejszego deptaka w Polsce — ulicy Bohaterów Monte Cassino w Sopocie. Po rozbudowie fragmentu tej ulicy, przeprowadzonej na początku XXI wieku doszło do uformowania placu w dolnej części deptaka. Przed rozbudową miał niezdefiniowane geometrycznie granice wyznaczone częściowo przez układ kamienic, a częściowo przez parterowe rozproszone pawilony. Po rozbudowie został ukształtowany przez kilkukondygnacyjną, szczelną zabudowę w układ trapezu, zwężającego się od strony morza ku ulicy. Ulica Bohaterów Monte Cassino od lat 90. XX wieku była sukcesywnie uzupełniana nowymi kamienicami, by ostatecznie osiągnąć szczelnie zabudowane obie pierzeje elewacyjne. W rezultacie wiatr wiejący od morza ulega przyspieszeniu w obrębie trapezowego placu i jest wyraźnie ukierunkowany w przestrzeni deptaka, często znacznie zacienionego przez wzajemnie przesłaniające sobie słońce budynki. W efekcie zmian urbanistycznych warunki klimatyczne w przestrzeni deptaka pogorszyły się, co jest widoczne między innymi także w układzie lokali gastronomicznych: jest ich wiele na placu i na bocznych ulicach, w obrębie deptaka zaś wyraźnie mniej i są gorzej uczęszczane ze względu na zacienienie i wietrzność kawiarnianych ogródków.
praca w laboratorium Zakładu Aerodynamiki Wydziału Mechanicznego Energetyki i Lotnictwa Politechniki Warszawskiej nad badaniami eksperymentalnymi prowadzonymi w ramach seminarium magisterskiego dla studentów Wydziału Architektury PW — przygotowanie modelu do badań, na pierwszym planie modele poddane badaniom w ramach działalności eksperckiej Zakładu Aerodynamiki WMEiL
fot.: Katarzyna Zielonko-Jung
podsumowanie
Znajomość zagadnień aerodynamiki jest niezbędnym elementem warsztatu współczesnego architekta i urbanisty. Niewiele się o tym mówi, a zagadnienie to jest niemal nieobecne w zapisach prawa. Paradoksalnie urbanistykę Polski powojennej, krytykowaną z wielu powodów, pod tym względem można ocenić wyżej niż współczesną. Myśl modernistyczna, która wyraźnie oddziaływała na ówczesne projekty osiedli mieszkaniowych, bardzo mocno akcentowała aspekty zdrowotne miast i odnosiła się do uwarunkowań klimatycznych. Obecnie widoczna jest dominacja aspektu ekonomicznego inwestycji budowlanych, od strony architektonicznej zaś — poszukiwań formalnych i estetycznych, które mają sprawić, że budynki zostaną „zauważone”. Wyraźna jest także słabość ogniwa procesu inwestycyjnego, jakim są miejscowe plany zagospodarowania. To w nich powinny się znaleźć wytyczne dla nowych projektów obejmujące rozmaite zagadnienia, w tym aerodynamiczne, które stanowią niezbędny element strategii poprawy jakości środowiska zamieszkania w miastach.
Katarzyna ZIELONKO-JUNG
Architektka, pracuje w Katedrze Projektowania Środowiskowego na Wydziale Architektury Politechniki Gdańskiej na stanowisku profesora nadzwyczajnego. Jej zainteresowania naukowe skupiają się wokół zagadnień architektury proekologicznej. Stopień doktora (2003) i doktora habilitowanego (2016) uzyskała na WA Politechniki Warszawskiej. Autorka i współautorka wielu publikacji, m.in. monografii „Łączenie zaawansowanych i tradycyjnych technologii w architekturze proekologicznej” (2012), „Współczesna architektura proekologiczna” (2012), „Kształtowanie przestrzenne architektury ekologicznej w strukturze miasta” (2013), a także rozdziałów w monografiach i artykułów w czasopismach naukowych. Współtwórca i wykładowca na studiach podyplomowych Architektura i Budownictwo Proekologiczne na WA PG.
