Recenzja rozprawy doktorskiej "Kształtowanie zabudowy

Dr hab. inż. arch. Bartosz Czarnecki, prof. nzw. PB_________________________________________
Wydział Architektury Politechniki Białostockiej
Ul. O. Sosnowskiego 11, 15-893 Białystok, [email protected]
RECENZJA
rozprawy doktorskiej mgr inż. arch. Tomasza Piwińskiego
pt. „Kształtowanie zabudowy mieszkaniowej w celu optymalizacji pozyskiwania energii słonecznej”
1. Podstawa formalna recenzji
Podstawę formalną wykonania recenzji stanowi pismo Dziekana Wydziału Architektury
Politechniki Poznańskiej, Pana dr hab. inż. arch. Jerzego Suchanka, prof. nzw. PP, z dnia
21.07.2015 wraz z załączoną umową.
2. Ocena aktualności tematu rozprawy, jej znaczenia poznawczego i praktycznego
Wpływ warunków naturalnych, w tym promieniowania słonecznego, na kształtowanie siedzib
ludzkich był rozpatrywany prawdopodobnie od zarania ich świadomego formowania. Jednak
nieco innym zagadnieniem jest uwzględnianie w architekturze i urbanistyce uwarunkowań
aktywnego pozyskiwania energii słonecznej, co jest przedmiotem opiniowanej pracy. W tym
zakresie pierwsze polskie próby badań sięgają lat 70-tych, a na pewno 80-tych XX wieku.
Recenzentowi znana jest próba przygotowania rozprawy na zbliżony temat w połowie lat 80tych, jednak praca ta nie powstała. Wówczas praca ta siłą rzeczy miała (i musiałaby) dotyczyć
głównie optymalizacji architektury do pasywnego wykorzystania energii słonecznej.
Tymczasem od około 15 lat architekci, również w Polsce, są coraz częściej konfrontowani
z możliwościami (a także oczekiwaniami inwestorów) zastosowania nowoczesnych instalacji,
służących aktywnemu wykorzystaniu źródeł energii odnawialnej, w tym słonecznej. Są to
technologie nowe w powszechnym stosowaniu i wciąż podlegające rozwojowi. Jednocześnie
badania dotyczące wpływu tej problematyki
na kształtowanie zabudowy oraz
zagospodarowanie terenu, a zwłaszcza dotyczące czynników optymalizacji pod tym
względem, nie mają raczej charakteru pogłębionego. To określa stopień aktualności tematu
pracy i jej potencjału poznawczego oraz praktycznego.
3. Konstrukcja pracy
Praca liczy 382 numerowane strony zasadniczej części oraz rozdział V zawierający 63
całostronicowe tabele wyników badań wraz z towarzyszącymi ilustracjami. Spis literatury
liczy 227 pozycji piśmienniczych oraz 5 pozycji filmografii. Pośród pozycji Bibliografii, która
mieści zarówno publikacje naukowe, jak i raporty oraz materiały elektroniczne ze źródeł
internetowych, 144 stanowią pozycje zagraniczne.
Część zasadnicza pracy podzielona jest na cztery rozdziały, które stanowią: Wprowadzenie
(s.8), Stan badań (s.22), Opis przeprowadzonych badań (s. 139) oraz Podsumowanie i wnioski
(s. 323). Część tę zamyka Bibliografia i szczegółowy spis treści a także wykaz źródeł ilustracji,
po których następuje wspomniany Rozdział V. Wprowadzenie zawiera krótką sygnalizację
stanu badań, uzasadnienie podjęcia tematu, sformułowanie problemu naukowego, cele
Strona | 1
badawcze, tezę pracy oraz uzasadnienie oryginalności podjętej tematyki i łącznie liczy 13
stron. Rozdział II (Stan badań) składa się z trzech podrozdziałów i liczy 117 stron. Rozdział III
(Opis przeprowadzonych badań) składa się z 9 podrozdziałów i liczy 215 stron. Rozdział IV
(Podsumowanie i wnioski) składa się z 5 podrozdziałów i liczy 31 stron.
Praca jest bogato ilustrowana, w dużej mierze ilustracjami autorskimi doktoranta.
Objaśnieniu źródeł innych ilustracji służy stosowny wykaz zamieszczony na stronach 365-375.
Uwagi
1) wykaz źródeł ilustracji nie jest ujęty w żadnym z dwóch spisów treści;
2) Rozdział II Stan badań, podobnie jak kolejny, zawiera opis przeprowadzonych czynności
badawczych (analiza dotychczasowego stanu badań), w związku z tym omówienie
zastosowanej metodyki powinno obejmować również ten rozdział i znajdować się raczej we
Wprowadzeniu, a nie dopiero w rozdziale III;
3) w Bibliografii warto rozdzielić tradycyjne publikacje naukowe od różnego rodzaju raportów
i opracowań eksperckich oraz popularnych, ewentualnie odrębnie wykazać źródła
internetowe;
4) niefortunne jest powtórzenie tytułu podrozdziału z Wprowadzenia jako tytułu rozdziału II
(Stan badań).
4. Charakterystyka przeprowadzonych badań oraz ocena merytoryczna dysertacji
Rozdział I. Wprowadzenie
W tej części pracy autor naświetla tło problemu i źródło tematu pracy. Pokrótce (może nieco
pobieżnie) opisuje historię relacji człowieka ze słońcem, wielkość zasobu jakim jest energia
słoneczna, wspomina o nowoczesnych możliwościach aktywnego pozyskiwania tego rodzaju
energii. Wskazuje na problem zależności struktury urbanistycznej, formy budynku
i efektywności pozyskiwania energii słonecznej, konkludując, że brak jest opracowań
naukowych i instruktażowych oraz szczegółowych aktów prawnych wspierających efektywne,
aktywne pozyskiwanie energii Słońca. Tak istotny czynnik jest brany pod uwagę
w planowaniu oraz projektowaniu co najwyżej w kontekście dbałości o nasłonecznienie
pomieszczeń, poprawę komfortu cieplnego, a nie wytwarzania energii. Podjęcie problemu
autor motywuje głównie brakiem analogicznych opracowań, deklaratywnym charakterem
postulatów ekologicznych w Polsce oraz wciąż znikomymi doświadczeniami Polaków
z odnawialnymi źródłami energii.
Jako problem naukowy autor wskazuje zagadnienie optymalizacji rozwiązań urbanistycznych,
a także architektonicznych z punktu widzenia aktywnego pozyskiwania energii słonecznej.
Podstawowy cel pracy został określony jako konstrukcja schematu modelowej tkanki
urbanistycznej dla zabudowy mieszkaniowej w celu maksymalizacji wartości energii
słonecznej, docierającej do obudowy budynków, która może być następnie wykorzystana do
przetworzenia w energię użytkową za pomocą technologii, które podlegają obecnie
dynamicznemu rozwojowi , i którymi autor słusznie nie zajmuje się w pracy. Cele badawcze
autor przedstawia z podziałem na cele poznawcze (8), analityczne (4) oraz aplikacyjne (3) (s.
17-18).
Główna część tezy pracy (s. 19) zakłada, że maksymalizacja powierzchni nasłonecznionych
należy do jednych z podstawowych czynników kształtowania urbanistyki i architektury
energooszczędnej.
We Wprowadzeniu autor nic nie mówi o metodyce badań, czyniąc to dopiero na wstępie
rozdziału III.
Strona | 2
Uwagi
1) pierwsze zdanie w podrozdziale I-1 Stan badań (s. 9), mówiące o „niezwykle istotnej roli”
słońca w życiu człowieka nie oddaje istoty rzeczy: Słońce warunkuje życie na Ziemi;
2) autor nie wspomina, że w architekturze, a zwłaszcza urbanistyce mającej swe źródło
w Karcie Ateńskiej wiele uwagi poświęcano biernemu wykorzystaniu energii Słońca, w tym
jako czynnikowi zdrowych warunków życia, co znalazło swoje odzwierciedlenie
w obowiązującym po wojnie w PRL normatywie urbanistycznym oraz wymogów dotyczących
nasłonecznienia pomieszczeń mieszkalnych;
3) na s. 10 dwukrotnie pojawia się niezręczne sformułowanie „zależność formy na…”.
Poprawnie byłoby „zależność formy od…”.
Rozdział II. Stan badań
Ta część pracy ma charakter teoretyczny i zmierza do realizacji poznawczej części badań.
Autor omawia istotne współczesne tendencje związane z kierunkami rozwoju
cywilizacyjnego, tendencjami w budownictwie, planowaniu przestrzennym, architekturze
energooszczędnej, nowości technologicznych dotyczących konwersji energii słonecznej i in.
Kolejny podrozdział (II.2) to analiza stanu badań, w szczególności w zakresie architektury
i urbanistyki bioklimatycznej. Trzeci podrozdział to analiza problematyki związanej
z doświadczeniami jakich mogą nam dostarczyć analizy świata roślin i zwierząt. Wydaje się, że
autor uwzględnił wszystkie istotne, w tym najnowsze, współczesne kierunki i tendencje
w zakresie rozpatrywanej problematyki.
Rozdział III. Opis przeprowadzonych badań
W poszczególnych podrozdziałach zawarto tu opis poszczególnych etapów
przeprowadzonych badań, poparty autorskimi schematami modeli, rycinami oraz tabelami.
III.1. Przedmiot badań
Autor wprowadza odbiorcę do części badawczej pracy. Zasadniczym aspektem jest
optymalizacja układów urbanistycznych zwartej zabudowy pod względem maksymalizacji
pozyskiwania energii słonecznej, na co wpływ ma wzajemne zacienianie budynków, ich
orientacja względem kierunku południowego, formy oraz kąty pochylenia dachów oraz
optymalizacja lokalizacji instalacji solarnych na obudowach budynków. Autor kładzie nacisk
na aktywne pozyskiwanie energii słonecznej.
Uwagi
1) poza wcześniej już zasygnalizowaną kwestią równego dostępu do promieniowania
słonecznego jako kryterium rozwiązań projektowych, Autor formułuje pięć pytań. Brak
wyjaśnienia ich relacji z pytaniami badawczymi zawartymi we Wprowadzeniu do pracy;
2) wydaje się, że przy opisie założeń bardziej klarownie należałoby rozgraniczać wątek
optymalizacji struktury tkanki miejskiej oraz form zabudowy i w taki ścisłym podziale
omawiać zamierzone badania. W dalszych podrozdziałach nie jest to już problemem.
III.2. Metodyka badań
Krótki podrozdział omawia zastosowaną metodykę. Autor zakłada podział zasadniczej części
badań na 6 etapów. Założono: badania porównawcze wybranych fragmentów tkanki
urbanistycznej Poznania, modelowanie struktur przestrzennych na podstawie wniosków
z analiz porównawczych, poszukiwanie zależności, metod, właściwości struktur
przestrzennych pozwalających na zwiększenie potencjału pozyskiwania energii słonecznej,
wybór i optymalizacja form przestrzennych struktur zabudowy i budynków według kryterium
maksymalizacji zysków energetycznych, porównanie (ponowne?) efektów uzyskiwanych dla
Strona | 3
zabudowy historycznej oraz proponowanej przez autora i wreszcie opracowanie wzorcowej
formy zabudowy, która będzie podstawą do dalszych badań.
Uwagi
1) poszczególne etapy w opisie zastosowanej metodyki należałoby uzupełnić o wykorzystane
metody i narzędzia badawcze;
2) brak opisu celów oraz oczekiwanych rezultatów poszczególnych etapów badań utrudnia na
tym etapie zrozumienie sposobu postępowania autora i zmusza do zagłębienia się w dalszą
część pracy bez odpowiedniej świadomości zamierzonej sekwencji czynności badawczych.
Pomocny byłby tu na przykład schemat przepływu wniosków;
3) w pewnym stopniu zamiennie stosowane są sformułowania: (forma) modeli
przestrzennych oraz wzory zabudowy. Są one nieprecyzyjne, można się domyślać, że chodzi
o strukturę tkanki urbanistycznej. Zastosowanie ma tu także uwaga nr 2) sformułowana do
poprzedniego podrozdziału.
III.3. Ograniczenia zakresu badania oraz ich uzasadnienie
Autor uzasadnia ograniczenie badania struktur urbanistycznych do wpływu jednego tylko
czynnika: maksymalizacji dostępu do promieniowania słonecznego. Takie założenie nie budzi
wątpliwości, niezależnie od oceny sposobu argumentacji, stanowiącego w dużej mierze
zaskakujący wywód na temat wpływu czynników bezpieczeństwa na kształtowanie tkanki
obszarów zurbanizowanych (s. 142).
III.4. Zakres czasowy badania
W podrozdziale tym, poza informacją o analizie danych dla całego roku kalendarzowego,
autor wyjaśnia przyjęcie ograniczenia dziennego czasu naświetlania do czterech godzin przed
południem oraz czterech po południu (8.00-16.00). Jest to uzasadnione, ponieważ wpływ
danych z godzin gdy słońce jest niżej, a więc gdy cienie są dłuższe, oddziaływałby negatywnie
na racjonalność układów zabudowy. Treść podrozdziału poparta jest ilustracjami oraz
zestawieniami tabelarycznymi.
III.5. Zakres przestrzenny
Według przyjętej metodyki, istotnym elementem odniesienia dla dalszych badań są wnioski
z analizy efektywności pozyskiwania energii słonecznej przez wybrane istniejące struktury
przestrzenne. W związku z tym autor określił cechy jakimi powinny charakteryzować się
fragmenty tkanki urbanistycznej do badań, mające zapewnić porównywalność wyników. Na
tej podstawie zaproponował pięć fragmentów zespołów zabudowy mieszkaniowej
wielorodzinnej w kwadratach 300x300 metrów z obszaru Poznania z różnych okresów
historycznych, których uwarunkowania rzutowały na układ, skale oraz formy zabudowy:
1900, 1950, 1970, 1990 i 2010. Decyzje badawcze opisane w tym podrozdziale nie budzą
zastrzeżeń.
III.6. Użyte oprogramowanie
Opisano wykorzystane narzędzia informatyczne.
III.7. Interfejs programu
Podrozdział zawiera omówienie istotnych aspektów użycia podstawowej z wykorzystanych
aplikacji informatycznych - programu Autodesk Eco Tect. Omówiono wykorzystaną bazę
danych pogodowych, która pozwala na odniesienie analiz dla konkretnej lokalizacji
z uwzględnieniem wieloletnich danych na temat m.in. zachmurzenia. Autor omówił ponadto
parametry wymagające określenia w programie, a także zestaw uwzględnionych czynników
(w formie tabelarycznego raportu), mających wpływ na wyniki analiz oddziaływania
Strona | 4
promieniowania słonecznego, w tym przyjęte, konieczne uproszczenia. Autor wyjaśnia też
zaplanowane procedury badawcze zamierzone w ramach analiz modeli zabudowy.
III.8. Wyniki badań – omówienie wzoru tabeli porównawczej oraz kryteriów oceny
wyników badań.
Podrozdział prezentuje układ tabeli porównawczej, która ma posłużyć do prezentacji
wyników badań na poszczególnych ich etapach, a ponadto autor objaśnia, często
z wykorzystaniem ilustracji, jej treść, na którą składają się czynniki służące do opisu cech
poszczególnych modeli struktur urbanistycznych oraz form budynków.
Uwagi:
1) pierwsze dwa zdania są nieco mylące (s. 160): mowa jest o prezentacji trzech najlepszych
rozwiązań, tymczasem tabela zawiera de facto sześć modeli (świadczy o tym m.in. ich
numeracja), przy czym występują tu trzy pary układów zabudowy, dla każdej pary wspólną
cechą jest tożsamość form budynków;
2) mylące jest określenie czynnika 5: strefa pasywna. Być może jest to kwestia przekładu
językowego: w kontekście pozyskiwania energii przez elementy budynku jest to raczej strefa
aktywna. Może jest to nawiązanie do pasywnego absorbowania energii z czynników
atmosferycznych. Niezależnie od tego występuje rozbieżność pomiędzy treścią opisu (s. 161),
a ilustracją III_1_12: w opisie podana jest szerokość strefy pasywnej 5 metrów, jako
wynikająca z podwojenia wysokości otworu okiennego, tymczasem na ilustracji szerokość ta
pokazana jest w relacji do wysokości w świetle całej kondygnacji;
3) autor jako cechę stałą (s. 162, 6. Kąt dachów) przyjął pulpitową formę dachów
o nachyleniu północnym oraz kątach umożliwiających integrację instalacji solarnych
z płaszczyznami dachów. Jednocześnie przy omawianiu ścian północnych (s. 163, 8. Ściany
północne) wskazuje te same dachy pulpitowe jako problem w maksymalizacji stosunku
powierzchni ścian południowych do północnych. Nasuwa się zatem pytanie czy założenie
stałej formy dachów było właściwe?
III.9. Opis przeprowadzanych badań
Najobszerniejszy podrozdział pracy w 12 punktach zawiera ilustrowany opis kolejnych
etapów przeprowadzonych badań:
III.9.1. Miasto Poznań – badanie fragmentów istniejącej zabudowy mieszkaniowej
Celem tej części badań jest uzyskanie wniosków dzięki wykorzystaniu różnych układów
istniejącej zabudowy. Wybrano pięć próbek fragmentów struktury miejskiej Poznania z
różnych, wspomnianych już wcześniej okresów historycznych. Ich badanie podzielono na dwa
etapy. W pierwszym autor badał wartość dostępnego nasłonecznienia, wzajemnego
zacieniania budynków oraz potencjał konwersji energii słonecznej. Wybrane formy zabudowy
różnią się wartością odsetka powierzchni zabudowanej, układami zespołów, formami
budynków, w tym kształtami rzutów, dachów oraz wysokością budynków. Autorowi udało się
potwierdzić, że na wyniki końcowe pozytywnie wpływa wysoka wartość powierzchni ścian
południowych oraz dachów, negatywnie wpływa wysoka gęstość zabudowy oraz
rozczłonkowanie brył powodujące samozacienianie. Najlepszy wynik uzyskała gęsta
zabudowa XIX-wieczna dzięki dużej łącznej powierzchni ścian południowych oraz dachów.
W rezultacie tej części badań Autor uzyskał średnią arytmetyczną wydajności badanych
struktur istniejącej zabudowy, jako wartość porównawczą do dalszych badań.
W drugim etapie tej części badań autor rozważa strukturę funkcjonalną zabudowy
poszczególnych próbek istniejących struktur, udział powierzchni biologicznie czynnych oraz
Strona | 5
tereny zajęte przez komunikację. Rozważania te nie wynikają z przyjętych wcześniej założeń
badawczych i nie przyniosły, co przyznaje autor, jednoznacznych rezultatów.
Uwagi
1) podczas omawiania poszczególnych zespołów zabudowy, autor wprowadza wątek
poboczny komfortu mieszkańców w takich zespołach, chociaż przy formułowaniu założeń
metodycznych deklarował ograniczenie wyłącznie do aspektu efektywności pozyskiwania
energii słonecznej;
2) nic nie stało na przeszkodzie aby tabelę ze zbiorczymi wynikami tej części badań zamieścić
w tekście zamiast w aneksie.
III.9.2. Wzorcowe modele zabudowy miejskiej – porównanie wydajności w pozyskiwaniu
promieniowania słonecznego.
W tej części badań autor przebadał wzorcowe modele układów zabudowy pod względem
efektywności w pozyskiwaniu energii słonecznej. Badanie przeprowadzono najpierw
w orientacji zgodnej z kierunkami kardynalnymi a następnie w obrocie pod kątem 45o. Na
tym etapie badań znalazła potwierdzenie część tezy mówiąca o tym, że ukształtowanie
zabudowy (różne jego aspekty) ma duży wpływ na wydajność energetyczną tkanki
urbanistycznej.
W przypadku układów zorientowanych zgodnie z kierunkami kardynalnymi najbardziej
efektywny jest model z zabudową na rzutach wydłużonych prostokątnych, zorientowanych
wzdłuż osi wschód-zachód (model 2_2). Spośród układów obróconych pod kątem 45o
najbardziej efektywna jest zabudowa dziedzińcowa (model 2_12).
Uwagi
1) w opisie metodyki badań (s. 142) dla tego ich etapu zadeklarowano badanie modeli
przestrzennych, których forma wynika z wniosków wypracowanych z analizy fragmentów
zabudowy Poznania, tymczasem w opisie badań (s. 182) autor wywodzi modele zabudowy od
Martina i Marcha bez związku z analizami zabudowy miasta Poznania – wymaga to
wyjaśnienia.
Mając dane z poprzednich etapów, autor przystąpił do najbardziej obszernej części badań,
obejmującej największy zbiór analiz, tym razem własnych, modelowych rozwiązań:
III. 9.3. Poszukiwanie optymalnych modeli zabudowy, opartych o rzuty na planach figur
podstawowych
Przedmiotem badania tego podrozdziału są układy zabudowy z punktu widzenia różnych
cech, głównie cech tworzących je obiektów. Autor poddał badaniu siedem grup modeli,
z których pięć zostało wyodrębnionych jako grupy jednorodne pod względem kształtów
rzutów budynków, jedna stanowi zbiór modeli składających się z budynków wysokościowych
i ostatnia, w której układy elementów mają formy inspirowane budową roślin. Autor
sformułował 7 celów przeprowadzanych doświadczeń, w tym zidentyfikowanie najbardziej
efektywnego kształtu rzutu, najwydajniejszych energetycznie układów zabudowy,
wyodrębnienie trzech form budynków o najlepszych właściwościach, wskazanie
efektywniejszego energetycznie z dwóch
układów zabudowy: pawilonowego oraz
dziedzińcowego, określenie optymalnej powierzchni zabudowy i kubatury, zdefiniowanie
detali budynków wpływających na zmniejszenie zacieniania. Modele budowane były
z zachowaniem reżimów podobnych do zastosowanych we wcześniejszych etapach (m.in.
wymiary pola powierzchni próbki 300x300 m, powierzchnia zabudowy 20%).
Strona | 6
Autor rozpatruje 5 grup modeli z zabudową o rzutach trójkąta, 3 grupy z rzutami na planie
kwadratu (z uwzględnieniem form ze ściętymi narożnikami), 4 grupy z rzutami na planie
prostokąta (z uwzględnieniem różnych form wygięcia dłuższych boków), 1 grupę z obiektami
o rzucie koła/elipsy, 2 grupy obiektów na planie rombu, 1 grupę z obiektami na planie
lancety, w układach kształtowanych z uwzględnieniem analizy cieni rzucanych przez
pojedynczy obiekt, 2 grupy modeli z obiektami o formie budynków wysokościowych,
wreszcie jedną grupę modeli o układach inspirowanych budową roślin, łącznie 101 modeli we
wszystkich grupach. Posługując się opisanym wcześniej narzędziem informatycznym autor
przebadał ww. modele pod względem efektywności pozyskiwania energii słonecznej,
mierzonej maksymalizacją powierzchni nasłonecznionych w czasie, głębokością strefy
pasywnej budynków, wielkością zacieniania i in., dla różnych proporcji i form rzutów
obiektów, układów, orientacji względem stron świata, wielkości obiektów itp. Opis analiz
każdej grupy modeli składa się ze schematów graficznych, opisu przyjętych założeń , opisu
wyników oraz wniosków.
Uwagi:
1) początkową część opisu (w tym założone cele badań) autor odnosi do wszystkich kolejnych
punktów tego podrozdziału, co jest nieco mylące;
2) zdziwienie budzi stwierdzenie (s. 186), że przystępując do badań autor miał ograniczoną
wiedzę dotyczącą problemu, w związku z tym postanowił przebadać możliwie dużą liczbę
rozwiązań, aby zaobserwować prawidłowości. Kłóci się to z ekonomicznością prowadzenia
badań, a ponadto autor miał już wyniki dwóch pierwszych etapów badań;
3) wśród wymienianych przez autora celów tego etapu badania niejasności budzą dwa
(s.186): czego ma dotyczyć rozwijanie potencjału form w kolejnych etapach badania
(rodzajów, liczby, cech energetycznych?) oraz czego dotyczy zakres możliwości pozyskiwania
energii? Wymaga to wyjaśnienia.
III. 9.4. Figury podstawowe – badania porównawcze brył na rzucie typowych figur płaskich
W tym podrozdziale przedmiotem badania jest efektywność energetyczna (z punktu widzenia
energii słonecznej) brył na rzutach typowych figur płaskich, a celem jest znalezienie formy,
która przy najmniejszej powierzchni cieni, poziomie zacieniania ścian południowych i dachów
oraz najmniejszej możliwej wysokości, pozyskuje największą ilość energii słonecznej (s. 219).
W tym celu autor dążył do określenia kątów dachów najbardziej efektywnych dla
poszczególnych kształtów rzutów, sposoby modyfikacji formy i rzutu budynku prowadzące do
zwiększenia wydajności oraz optymalizacji pozostałych cech i zakresu odchylenia zabudowy
od kierunku północ – południe bez zmniejszania wydajności pozyskiwania energii. Autor
założył wyłonienie trzech typów najbardziej efektywnych modeli. W wyniku przebadania 60
modeli, autor wskazuje trzy formy rzutów obiektów o największej wydajności w pozyskiwaniu
energii słonecznej i najmniejszej powierzchni rzucanych cieni: trójkąt o kącie rozwarcia
ramion 120o, prostokąt ze ściętymi pod kątem 45o ścianami wschodnią i zachodnią, kształt
lancetowaty o obłych elewacjach (ilustracja III_9_15). Autor konstatuje znaczące różnice
w wydajności w efekcie obracania obiektów, co nie jest zaskakujące bo w ten sposób zmienia
się wielkość powierzchni ekspozycji oraz wielkość cienia. Jednocześnie pojawia się wniosek,
że obracanie obiektów w formie lancetowatej oraz w prostokąta ze ściętymi ścianami
w kierunku południowo-wschodnim do wartości 30o powoduje wzrost efektywności
w pozyskiwaniu energii słońca (tab. 34 i 35). Chyba można to uznać za autorskie odkrycie,
Strona | 7
możliwe do precyzyjnego sprawdzenia dzięki zastosowanemu narzędziu informatycznemu,
a stanowiące potwierdzenie wielowiekowej zasady orientowania budynków „na godzinę 11”.
Na podstawie powyższych wniosków autor proponuje i poddaje badaniom formę składającą
się z dwóch prostokątów (z modyfikacjami), o osiach wzajemnie odgiętych o 30o (s. 234) oraz
o 45o (s. 236), wykazując ich wysoką efektywność energetyczną, identyczną z najbardziej
efektywnymi z badanych wcześniej form elementarnych. Zamiarem autora jest
wykorzystanie uzyskanego, efektywnego solarnie tworzywa do budowania kwartałowych
układów zabudowy.
III.9.5. Poszukiwanie zależności przestrzennych wpływających na nasłonecznienie
i zacienianie
Podrozdział zawiera serię analiz układów obiektów pod względem wpływu różnych zależności
przestrzennych na potencjał pozyskiwania energii słonecznej. Badano wpływ relacji
wysokości oraz odległości pomiędzy budynkami. Najbardziej chyba intrygującym pytaniem
postawionym przez autora na tym etapie, jest to o efektywność kształtowania zabudowy:
rzadko, ale wysoko czy nisko gęsto? (s. 240). Rozważano poszczególne skrajne przypadki
kombinacji uporządkowania oraz przypadkowości w rzucie oraz sylwecie. Okazuje się, że
najbardziej efektywny jest zróżnicowany układ budynków o jednakowej wysokości. Kolejne
badanie, to analiza wydłużonej bryły prostokątnej w różnych ustawieniach względem stron
świata. Elementarny charakter tego badania powoduje, że być może powinno ono pojawić
się we wcześniejszych podrozdziałach (np. III.9.2). Wówczas też zaskakujący dla doktoranta
wniosek, że sumy energii dostępnej na wszystkich ścianach i dachu są bardzo zbliżone
niezależnie od ustawienia bryły, mógłby wpłynąć na założenia czynione przed kolejnymi
etapami badań (np. w odniesieniu do zakresu szczególnego uwzględniania ścian
południowych w badaniach). Kolejna analiza, to badanie granicznej, maksymalnej wydajności
układu zabudowy (s. 244). Sprawdzano zależności wynikające z różnych odległości pomiędzy
kolejnymi pasami zabudowy oraz wysokości budynków, z uwzględnieniem odpowiedniego
kąta nachylenia dachów. Wysoką efektywność (w sensie wysokiej intensywności zabudowy
przy zachowaniu potencjału uzysku energii) można uzyskać przy zabudowie w formie ciągłych
pasów, zaś efektywność spada w przypadku wolnostojącej formy budynków. Kolejne dwa
badania dotyczą wpływu kątów nachylenia dachów (s. 247-248) oraz koncentracji bądź
rozproszenia w relacji odwrotnej do wysokości budynków (s. 249-250). W tym ostatnim
przypadku okazuje się, że zdecydowanie bardziej efektywna energetycznie jest zabudowa
niska gęsta, przy czym w takim przypadku duże znaczenie mają kształty dachów. Kolejna
analiza, polegająca na badaniu modeli o stałej kubaturze i wzrastającemu zagęszczeniu
zabudowy przy spadającej wysokości potwierdza istotne znaczenie maksymalizacji
powierzchni dachów oraz eliminowania ich zacieniania.
W kolejnych trzech podrozdziałach Doktorant poddaje badaniu efektywność ustawień
w ramach układów zabudowy składających się z brył na trzech wcześniej wybranych rzutach
zidentyfikowanych jako najbardziej efektywne, z uwzględnieniem odległości pomiędzy
rzędami budynków (III.9.6), wpływ odległości pomiędzy budynkami tego samego szeregu,
z uwzględnieniem wpływu kształtu budynku na kształt rzucanego cienia (III.9.7), wreszcie
badania porównawcze układów z budynkami o rzutach na planie różnych rodzajów trójkątów
z uwzględnieniem różnic we wzajemnym rozmieszczeniu, orientacji, kątach nachylenia
dachów oraz wysokości (III.9.8).
Strona | 8
Na uwagę zasługuje podrozdział III.9.6, gdzie Autor poszukuje mierzalnych zależności,
pozwalających skonstruować metodę projektowania optymalnych rozwiązań zespołów
zabudowy. Kluczowe aspekty brane pod uwagę, to ograniczenie zacieniania ścian
południowych oraz dachów, a także kąty pochylenia dachów. Autor zidentyfikował dwie
płaszczyzny, których uwzględnianie przy wyznaczaniu odległości pomiędzy budynkami
zapewnia uniknięcie zacieniania dachów przez cały rok.
Jako, że znakomitą większość dotychczasowych badań autor prowadził na wolnostojących
obiektach o kształtach wybranych brył, w kolejnym punkcie podrozdziału 9 (III.9.9)
postanowił przeanalizować pod interesującym go kątem formy bardziej typowe dla miast
europejskich czyli zabudowę dziedzińcową. Autor poddaje badaniom według przyjętych
w pracy reżimów w pierwszej kolejności fragment struktury zabudowy według pierwotnego
projektu Ildefonsa Cerdy dla Barcelony. Tu spotyka Autora rozczarowanie, bowiem ten model
zabudowy wykazuje parametry pozyskiwania energii słońca zdecydowanie poniżej
przeciętnych. Jest to tym bardziej zaskakujące, że w początkowej części badań najlepsze
wyniki wśród zespołów zabudowy Poznania uzyskał fragment zabudowy XIX-wiecznej.
W dalszej kolejności Autor testuje kolejne modele, zawierające modyfikacje, zmierzające do
zwiększenia efektywności pod względem pozyskiwania energii słonecznej, wykorzystując
w dużej mierze wnioski z wcześniejszych badań. Najlepsze efekty można uzyskać
w przypadku 45o odchylenia azymutalnego, ale nawet modelowanie kształtów dachów nie
przynosi zadowalających rezultatów. Autor wysnuwa wniosek, że sukces XIX-wiecznej tkanki
Poznania wynikał z rozczłonkowania zabudowy (elewacji), przyczyniającego się do
zwiększenia powierzchni aktywnej ścian. W dalszej kolejności Autor po raz kolejny
wykorzystuje zebrane doświadczenia budując modele dalece zmodyfikowanej zabudowy
kwartałowej (narastające wysokości budynków, pochylone dachy, wycięte sekwencje
narożników, odstępstwa od ortogonalności siatki). Uzyskane wyniki nadal były dalekie od
oczekiwań. W ten sposób Autor dochodzi do serii modeli, wobec których kieruje oczekiwania
połączenia zalet ekonomiczno-funkcjonalnych tkanki kwartałowej oraz wykorzystania form
budynków wcześniej zidentyfikowanych jako najbardziej wydajne. W związku z tym również
autor poddaje analizom m.in. układy zabudowy składające się z zaproponowanych przez
siebie skrzydeł zabudowy o osiach odgiętych o 30o oraz sekwencje brył, którym nadaje taki
układ, a także modele składające się z kwartałów mających kształt najbardziej efektywnych
brył z wydrążonym wnętrzem. Wnioskiem jest wielka trudność osiągnięcia dobrych wyników
dla zabudowy kwartałowej. Autor formułuje parametry, które zapewniają maksymalizację
wyników dla tego typu zabudowy (s. 304).
III.9.10. Wzory zabudowy oparte o fraktale (s. 305-313)
Autor sprawdza wnioski uzyskane z poprzednich etapów badań w odniesieniu do układów
zabudowy kształtowanych na zasadzie budowy fraktali, a więc struktur subtelnie złożonych,
zbudowanych w sposób powtarzalny, ale jednocześnie zróżnicowany w zależności od
potrzeby. Zarówno charakter problemu, uzyskane dotychczas wyniki, jak i współczesny stan
poszukiwań różnych dyscyplina nauki, a także sztuki (por. projekty Zbigniewa Oksiuty) w pełni
uzasadniają takie podejście.
III.9.11. Porównanie trzech najlepszych rozwiązań (s. 314-318)
Jest to niejako punkt podsumowujący, gdzie autor poddaje badaniom trzy najbardziej
efektywne z przebadanych form zabudowy: bryła na planie trójkąta, wydłużony prostokąt ze
Strona | 9
ściętymi bokami oraz forma atrialna na podobnym rzucie. Autor, stosując wypracowaną
wcześniej „metodę dwóch płaszczyzn” za cel postawił sobie dopracowanie rozwiązań
szczegółowych i optymalizację w sferze wyników cząstkowych. Analizy pozwalają autorowi na
korekty wartości kątowych, zarówno w rzucie, jak i w pionie. Analizy skoncentrowane są na
uzyskaniu wysokich wyników cząstkowych oraz uzyskaniu przestrzeni o dobrej jakości.
III.9.12. Model zabudowy generowany przy użyciu wzoru parametrycznego
W ostatnim punkcie części badawczej Autor wykorzystuje doświadczenia z dotychczasowych
badań i, przy pomocy gotowego algorytmu, buduje wzór parametryczny, pozwalający na
automatyczne generowanie rozwiązań przestrzennych z uwzględnieniem czynników
zidentyfikowanych przez autora jako istotne z badanego punktu widzenia. Jest to próba
aplikacji wniosków z badań, która umożliwia szybkie i niejako automatyczne modelowanie
wielu parametrów zabudowy poprzez prostą zmianę jednego lub kilku parametrów. Wzór
został przedstawiony graficznie w postaci grafu (dendrytu?). Autor prezentuje następnie
próbki modeli powstałych w wyniku zastosowania opracowanego wzoru, informując
o uzyskiwanej zwykle ponadprzeciętnej efektywności w potencjale pozyskiwania energii
słonecznej, co ostatecznie potwierdza słuszność przyjętych wcześniej założeń i przydatność
wyników przeprowadzonych badań.
Uwagi
1) graficzna prezentacja wzoru parametrycznego jest nieczytelna, widać zależności ale nie
można zidentyfikować opisów poszczególnych elementów, wobec czego trudno
o jakiekolwiek wnioski na podstawie ilustracji III.9.72.
Rozdział IV. Podsumowanie i wnioski
IV.1. Wnioski z przeprowadzonych analiz
Autor podsumowuje zasadnicze wnioski z badań, omawiając wyniki z analiz poszczególnych
modeli w aspektach: kształtowania formy obiektów, wzajemnych zależności przestrzennych,
kształtowania powierzchni nasłonecznionych oraz modelowania stopnia zacieniania. Należą
do nich zidentyfikowane formy elementów budynków, zapewniające maksymalizację
efektywności energetycznej w zakresie pozyskiwania energii słońca (dachy pulpitowe
o określonym nachyleniu, pionowe ściany południowe o możliwie maksymalnej powierzchni
itd.). Podobnie autor wymienia zidentyfikowane, pożądane zależności przestrzenne pomiędzy
elementami układu urbanistycznego (s. 326) (orientacja względem stron świata, struktura
kompozycji planu). Autor opracował „metodę dwóch płaszczyzn”, która pozwala na
wyznaczenie relacji pomiędzy budynkami i rzędami budynków, uwzględniających kształty
budynków, ich wysokości, nachylenie dachów i wiążące się z tymi cechami zacienianie. Autor
sformułował wskaźniki do wyznaczania odległości pomiędzy budynkami tego samego rzędu
dla trzech najbardziej efektywnych brył. Zastosowanie tych wskaźników ma wymiar o tyle
praktyczny, że zapewnia iż w okresach od 21 marca do 21 grudnia w godzinach 8.00 – 16.00
budynki o takich kształtach nie będą rzucały na siebie cieni. Tę konstatację można zapewne
próbować rozszerzać na budynki o innych kształtach. Autor stwierdza potwierdzenie tezy
pracy. Zwraca uwagę na niejednoznaczną rolę stopnia zacieniania (s. 330-331).
Uwagi
1) właściwie druga część tezy została dowiedziona wyłącznie w odniesieniu do kształtowania
obiektów nastawionych na pozyskiwanie energii słonecznej. Autor nie analizował problemu
w kontekście izolacyjności budynków, proporcji wnętrz, rozmieszczenia wnętrz ogrzewanych
i nieogrzewanych, technologii funkcji i szeregu innych jeszcze aspektów. Być może zatem
Strona | 10
należało sformułować tezę z takim właśnie ograniczeniem wyłącznie do efektywności
w zakresie pozyskiwania energii słonecznej.
IV.2. Spełnienie celów badania (325-341)
Autor omawia realizację postawionych na wstępie celów badawczych, z podziałem na cele
poznawcze, analityczne, aplikacyjne. Te pierwsze dotyczyły głównie pozyskania wiedzy
poprzez analizy literatury, w tym najnowszych kierunków badań, teorii i osiągnięć z tym
związanych. Cele analityczne dotyczyły przede wszystkim badania potencjału do
pozyskiwania energii słonecznej przez fragmenty struktur urbanistycznych Poznania, co
pozwoliło na określenie ich średniej efektywności energetycznej i, w wartości podwojonej,
wyznaczenie jako pułapu, który powinny osiągnąć modele projektowane przez Autora. Z kolei
osiągnięcie celów aplikacyjnych, podzielonych na trzy grupy, to sformułowanie autorskiej
metody wyznaczania relacji pomiędzy budynkami z punktu widzenia istotnych dla problemu
czynników („metoda dwóch płaszczyn”),określenie schematu modelowej zabudowy
śródmiejskiej, wysokowydajnej w pozyskiwaniu energii słonecznej i w końcu sformułowanie
ośmiu zaleceń projektowych, mogących stanowić punkt wyjścia do praktycznych zastosowań
wniosków z badań
IV.3. Szczegółowe zalecenia projektowe zależne od formy rzutu
Końcowym elementem rozdziału jest zestaw szczegółowych zaleceń projektowych,
uzależnionych od formy rzutu obiektu.
5. Ocena formalnej strony pracy
Praca ma formę wydruku komputerowego z wzajemnie stonowaną ciepłą barwą papieru,
barwą opisów rozdziałów i przypisów (bocznych!) oraz przeważających odcieni większości
ilustracji. Mimo olbrzymiego materiału, Autorowi udało się zachować rozsądną objętość,
w tym ograniczyć objętość części zasadniczej poprzez umieszczenie części materiału
badawczego w załącznikach. Można zastanowić się nad formą publikacji pozostałego
materiału, który nie został umieszczony w pracy. Autorskie ilustracje, występujące w dużej
liczbie istotnie podnoszą wartość pracy, a właściwie są jej niezbędnym elementem.
Praca napisana jest bardzo dobrym, czytelnym i komunikatywnym językiem, poza wyjątkami
w jasny sposób wyrażającym myśli Autora, dotyczące często złożonych zagadnień. Dość
często zdarzają się usterki literowe, w tym w pisowni nazw własnych (jak na s. 9 – Machu
Picchu i Priene). Ogólnie formę pracy należy ocenić bardzo wysoko, jako czytelną w odbiorze,
komunikatywną, estetyczną.
6. Konkluzja
Mgr inż. arch. Tomasz Piwiński w przedstawionej dysertacji zaprezentował materiał z bardzo
obszernych badań naukowych, dotyczących aktualnej problematyki, wykazując umiejętność
prawidłowego formułowania problemu badawczego, wyznaczania celów badań oraz doboru
metod badawczych. Niezależnie od sformułowanych uwag, praca udowadnia konsekwencję
w realizacji kolejnych etapów badań, które poprzez cząstkowe wyniki prowadzą do realizacji
założonych celów. Doktorant wykazał niezbędną znajomość warsztatu naukowego oraz
współczesnych narzędzi informatycznych oraz biegłość w wykorzystaniu. Powyższe, jak
również ilość przeanalizowanego materiału, jak również liczba przebadanych modeli świadczą
Strona | 11
niewątpliwie o pasji badawczej, która, jak należy mieć nadzieję, będzie owocować
w przyszłości dalszym zgłębianiem przez Doktoranta tej tematyki.
Uzyskane wyniki mają potencjał aplikacyjny, a zatem należy postulować ich publikację
w formie przystępnej, popularyzatorskiej, w postaci tradycyjnego podręcznika lub poradnika
w formie elektronicznej w Internecie, w celu wdrożenia wniosków do praktyki projektowej
z korzyścią dla efektywności energetycznej nowych obiektów i osiedli.
Powyższe stwierdzenia upoważniają do konkluzji, że przedstawiona przez mgr inż. arch.
Tomasza Piwińskiego dysertacja „Kształtowanie zabudowy mieszkaniowej w celu
optymalizacji pozyskiwania energii słonecznej” spełnia wymogi rozprawy doktorskiej
w zakresie dyscypliny architektura i urbanistyka i może stanowić przedmiot publicznej
obrony.
Białystok, 21 września 2015 r.
Strona | 12