W referacie poruszono problemy związane z pozytywnym wpływem przeszklonych ogrodów zimowych, na bilans cieplny w budynkach mieszkalnych. Uwzględniono nowe technologie wprowadzone do ich konstrukcji, ogrzewania i wentylacji. Na przykładach przedstawiono wpływ nowych systemów na estetykę obiektów i na jakość architektoniczną przestrzeni miejskiej.
HISTORYCZNY ROZWÓJ PRZESZKLONYCH OGRODÓW ZIMOWYCH
Przeszklone ogrody zimowe znowu są popularne i coraz częściej projektowane. Ich zadaniem jest powiększenie przestrzeni użytkowej domu i sfery przeżyć estetycznych. Odpowiednio usytuowane, poprawiają bilans cieplny właściwego budynku.
Obiekty te znane już były w cesarstwie rzymskim, chociaż jeszcze w pierwotnej formie. Cieplarnie (specularia) odnalezione w Pompejach, posiadały murowane półki i rury do ogrzewania ukryte w ścianach. Na rozwój ogrodów zimowych wpłynął regularny kontakt krajów europejskich z regionami tropikalnymi oraz udoskonalenie produkcji szkła płaskiego. Wiek XVII był przełomowym w rozwoju szklarni. Około połowy tego stulecia roczna temperatura obniżyła się o około 10C. Ponieważ zimy były bardzo surowe, koniecznością stało się budowanie ogrzewanych szklarni. W roku 1688 Lucas de Nehon wynalazł metodę odlewania większych tafli szkła. Pierwszą w całości oszkloną szklarnią był budynek z 1714 roku w majątku Schwöbber, przeznaczony pod uprawę ananasów [1]. Rozwój biernego wykorzystania energii słonecznej umożliwił wynalazek „heliotermometru” w XVIII wieku, który ułatwił pomiar działania promieni słońca pod szkłem. W 1751 roku Philip Miller połączył pionowe, szklane ściany „ogrodu aptecznego” w Chelsea pod Londynem ze szklanym dachem o nachyleniu 450. Thomas Knight w 1811 roku udoskonalił ten pomysł, obliczając kąt nachylenia szklanego dachu w zależności od pozycji słońca nad widnokręgiem na różnych szerokościach geograficznych. Budynki Johna Clausiusa Loudona z początku XIX wieku z dachami o formie klosza, a także oszkleniem z występującymi na przemian wypukłościami i wgłębieniami miały intensyfikować działanie promieni. Były to jednak rozwiązania drogie, przeznaczone dla zamożnej części społeczeństwa, dlatego też w roku 1873 Joseph Paxton zaprojektował składaną szklarnię, którą nazwał „cieplarnią dla milionów”.
Otwarte kosze z węglem wykorzystywane do ogrzewania pomieszczeń, z czasem zastąpiono piecami, następnie centralnym ogrzewaniem z kanałami grzewczymi w ścianach lub podłodze. Zapewnienie roślinom dobrych warunków wymagało wprowadzenia odpowiednich rozwiązań, ułatwiających zraszanie wodą i poprawiających cyrkulację powietrza. W XVII wieku stworzono pierwszy obieg regulowany. Połączono w jeden system zawory ogrzewania parowego, mechanizmy do otwierania i zamykania wywietrzników oraz urządzenia zraszające.
PASYWNE WYKORZYSTANIE ENERGII SŁONECZNEJ W OGRODACH
Wzrost zainteresowania problemem oszczędzania energii datuje się od światowego kryzysu energetycznego, który nastąpił w latach 70. XX wieku. Zasady budownictwa energooszczędnego, które zaczęto wówczas wprowadzać, spowodowały między innymi zainteresowanie ideą ogrodu zimowego.
Pasywne wykorzystanie energii słonecznej jest elementem pozytywnie wpływającym na bilans energetyczny budynku. Funkcjonuje w zasadzie bez mechanizmów wspomagających. Służy obniżeniu zużycia energii cieplnej pochodzącej z konwencjonalnych źródeł. Izolowany termicznie ogród zimowy działa jako strefa kumulująca energię słoneczną i jednocześnie jako strefa buforowa. Warunkiem koniecznym do prawidłowego działania szklarni jest zapewnienie dostatecznej masy termicznej do zmagazynowania dużej ilości ciepła. Część energii, która przenika do wnętrza zużyta jest w procesie fotosyntezy, pozostała pochłonięta jest przez podłoże i inne elementy. Ciepło znajdujące się w szklarni może być zmagazynowane w ścianach oddzielających szklarnię od wnętrz, elementach wyposażenia, w posadzkach szklarni wykonanych np. z płytek ceramicznych, cegły lub ziemi, w zbiornikach akumulacyjnych umieszczonych pod posadzką szklarni, wypełnianych żwirem, kamieniem, również w małych zbiornikach wodnych. Energia gromadzona wewnątrz ogrodu zimowego oddawana jest do sąsiednich pomieszczeń. Latem proces ten powinien być ograniczany poprzez ochronę przeciwsłoneczną, polegającą na zastosowaniu odpowiedniego systemu zacieniania i sprawnej wentylacji. Każdy ogród zimowy, z wyjątkiem usytuowanego od strony północnej, powinien być okresowo zacieniany. W tym celu stosuje się osłony zewnętrzne np. rolety, markizy. Najczęściej jednak elementy te montuje się od strony wnętrza. Ściany można osłaniać również żaluzjami. Powszechne są lamelki aluminiowe, powlekane warstwą tworzywa. Jeśli osłony wewnętrzne będą umieszczone w prowadnicach zamontowanych w odległości 5–15 cm od szyby, uzyskuje się efekt nagrzanego powietrza, które można „wpuścić” do pomieszczenia. Połać dachową można ochronić roletami z tkanin poliestrowych, poruszającymi się w prowadnicach.
Najlepsze wykorzystanie energii uzyskuje się przy dużych powierzchniach oszklonych. Rodzaj przeszklenia decyduje o ilości przenikającego do ogrodu zimowego światła dziennego oraz o warunkach cieplnych panujących we wnętrzu. W celu uniknięcia wykraplania się pary wodnej powinno się zastosować szyby zespolone o współczynniku przenikania ciepła U nie wyższym niż 1,1 W/(m2.K). Zadaszenie oranżerii wykonuje się również z szyb zespolonych. Górną część ze szkła hartowanego, odpornego na uderzenia, dolną – z powlekanego szkła bezpiecznego.
WSPÓŁCZESNE SYSTEMY OGRODÓW ZIMOWYCH
3.1. Konstrukcje w nowowznoszonych budynkach mieszkalnych
Orientacja względem stron świata ogrodu zimowego jest istotna dla bilansu energetycznego budynku. Ogród od strony południowej jest najlepiej nasłoneczniony przez cały dzień. Wymaga szczególnie skutecznej wentylacji oraz zacieniania. W ogrodzie wschodnim, intensywnie nasłonecznionym choć w krótszym czasie, również należy przestrzeń starannie wentylować i osłaniać. W ogrodzie zachodnim – duże nasłonecznienie po południu zmusza do intensywnego wietrzenia i zacieniania obiektu przede wszystkim w lecie. Ogród północny jest najmniej korzystny w aspekcie korzyści energetycznych. Dla ogrodu zorientowanego w wersji narożnikowej, najlepszym miejscem jest strona południowo–wschodnia lub południowo–zachodnia (Rys.1).
Zależnie od przeznaczenia, ogród zimowy może być ogrzewany lub nieogrzewany. Ogród ogrzewany użytkuje się przez cały rok. Można w nim uprawiać delikatne i wymagające wyższych temperatur rośliny, urządzić w nim jadalnię, dodatkowy salon lub pomieszczenie mieszkalne. Systemy wykorzystujące pasywnie energię słoneczną do ogrzewania wymagają, w naszych warunkach klimatycznych, wspomagania innymi źródłami ciepła. Mogą one osiągnąć wysoką wydajność po zastosowaniu urządzeń samoczynnie włączających dodatkowe źródło ciepła. Obecnie, w celu wykonania ogrzewania, najczęściej doprowadza się instalację c.o. Konwektory umieszcza się wzdłuż cokołu. Z punktu widzenia rozkładu temperatury korzystne jest ogrzewanie podłogowe i kanałowe. Rozwiązania te pozwalają na równomierne ogrzanie pomieszczenia. Grzejniki kanałowe mogą uzupełniać ogrzewanie podłogowe, zabezpieczając przestrzenie pod oknami i w okolicach drzwi. Stanowią również główny system grzewczy tam, gdzie lokalizacja grzejnika ściennego jest niemożliwa. W ogrzewaniu podłogowym występuje niska temperatura pracy instalacji (ok. 450C). Może więc być zasilana ciepłem uzyskanym z np. pomp ciepła i kolektorów słonecznych. Ogrzewanie takie podnosi na tyle komfort, że można obniżyć temperaturę powietrza w ogrzewanym pomieszczeniu nawet o 20C, co daje znaczne oszczędności energii – ok. 12%. Do ogrzewania przejściowego można zaproponować piece kaflowe lub kominki. Dla zwiększenia efektywności energetycznej domu mieszkalnego można wykorzystać aktywne systemy energii słonecznej np. wentylatory przepompowujące ciepłe powietrze z ogrodu do domu i kolektory słoneczne instalowane w oranżerii do podgrzewania wody.
Jeżeli nie planuje się używania oranżerii przez cały rok, projektuje się budynek nieogrzewany. W zimie utrzymuje się w nim temperatura ok. 5–150C. Pełni on funkcję śluzy klimatycznej. Jego konstrukcja nie musi spełniać warunków izolacyjności cieplnej.
Ogród zimowy to pomieszczenie, które wymaga sprawnej wentylacji, zwłaszcza gdy znajduje się w nim dużo roślin. Wydzielająca się para wodna powoduje niekorzystne zjawiska. Latem, w źle wentylowanym pomieszczeniu, temperatura może dochodzić do 600C [2]. Wentylacja dla małych pomieszczeń może być konwencjonalna, w większych powinna być zastosowana instalacja wymuszona. W pierwszej z nich, napływ powietrza z zewnątrz odbywa się przez zamontowane w dolnej części ścian ogrodu nawiewniki, a usuwanie powietrza (zawierającego wilgoć) – przez uchylne okna dachowe. Nawiewniki mogą być sterowane ręcznie lub automatycznie (przez system automatyki pogodowej). Odmianą nawiewników automatycznych są nawiewniki higrosterowane, które same, zależnie od poziomu wilgotności, zwiększają bądź zmniejszają strumień powietrza dopuszczanego do wnętrza. Okna dachowe mogą być sterowane mechanicznie lub elektrycznie i można je podłączyć do systemu automatyki pogodowej. Zamykają się przy silniejszym wietrze i opadach. W wymuszonej wentylacji najczęściej stosuje się w górnej części ogrodu mechaniczny wentylator wyciągowy, a w dolnej – nawiewniki. Automatyka wykorzystując dane pomiarowe z czujników temperatury i wilgotności, zapewnia odpowiednią wymianę powietrza. System sterowania można wyposażyć w urządzenia umożliwiające automatyczną regulację elementami zacieniającymi oraz oknami.
Ogrody zimowe do niedawna projektowano tylko przy domach jednorodzinnych. Obecnie wykonywane są również w budynkach wielorodzinnych. Posiadają formę zabudowanych loggi, balkonów lub przeszklonych tarasów. W tzw. zimnym systemie zabudowy, balkon zamykany jest tylko pojedynczymi taflami szkła. Powstaje wnętrze służące jako bufor klimatyczny, ponieważ zmniejsza się wychładzanie mieszkania w porze zimowej. Zamianę balkonu w „ciepły” ogród zimowy umożliwia system zabudowy, w którym, po ociepleniu podłogi i ścian, konstruuje się pomieszczenie ze specjalnych profili i szyb izolacyjnych. Różne systemy z aluminium lub PCW pozwalają na zaprojektowanie przestrzeni także na planie półkola lub wieloboku.
Zamknięta powierzchnia wymaga regularnej wymiany powietrza. W lecie szyby można uchylać lub rozsuwać, zimą – wymianę powietrza zapewniają regulowane nawiewniki tuż nad podłogą i wywietrzniki przy suficie. Sposób ten wykorzystuje zjawisko konwekcji. Ciepłe powietrze unosi się ku górze, wciągając do wnętrza zimne. Na pozyskiwanie energii wpływ ma również kolor posadzki. Płytki w ciemnym kolorze pochłaniają energię cieplną i dodatkowo ogrzewają wnętrze. Jeżeli balkon jest intensywnie nasłoneczniony, konieczne jest zamontowanie osłon.
Konstrukcje w obiektach zabytkowych
Nowowznoszone przeszklone powierzchnie w obiektach zabytkowych spełniają funkcje dodatkowych pomieszczeń handlowych np. pasaży, atrium, reprezentacyjnych wejść, kawiarni ogrodowych. Poprzez swoją neutralność estetyczną, stanowią kontrast dla
istniejącej zabudowy. Na parterach projektowane są w postaci struktur otaczających obiekt lub przylegających do nich. Do ich lokalizacji często wykorzystywane są podwórka we wnętrzu zabudowy (Rys.2). Stanowią wielofunkcyjny element kompozycyjny i techniczny w obiektach energooszczędnych. Zapewniają dostęp światła naturalnego i promieni słonecznych do wnętrz obiektu oraz ochronę przed negatywnymi czynnikami klimatycznymi (np. zanieczyszczeniem środowiska). Konstrukcje oranżerii stanowią odpowiedź na oczekiwania stawiane projektantom w obecnych czasach, ponieważ tworzą architekturę energooszczędną, kształtują wnętrza przyjazne człowiekowi, czyli ekologiczne oraz ograniczają zużycie terenu miejskiego pod budownictwo handlowo – usługowe [3].
WPŁYW ROZWIĄZAŃ NA ARCHITEKTURĘ OBIEKTÓW
Kubatura, proporcje i styl ogrodu zimowego muszą być dopasowane do charakteru budynku. Najczęściej projektanci proponują konstrukcje o dachach pulpitowych, wielospadowych, mansardowych. W celu maksymalnego wykorzystania nasłonecznienia, kąt nachylenia połaci powinien zostać zaprojektowany w granicach 55–650. Pionowe ściany mogą być dowolnie dzielone i kształtowane. Na architekturę również wywiera wpływ konstrukcja, której łączna powierzchnia nie powinna przekraczać 10% oszklenia. Wykonuje się ją z aluminium, drewna, tworzyw sztucznych lub stali.
Przy budynkach piętrowych lub z poddaszem użytkowym można ukształtować ogród sięgający górnej kondygnacji. Rozwiązanie takie pozwala na dodatkowe doświetlenie, a także na uprawę niewielkich drzew. W ogrodach dwukondygnacyjnych występuje możliwość „skomunikowania” obu kondygnacji budynku.
Dużą swobodę stylistyczną i znaczne możliwości kreowania przestrzeni wykazuje zaprojektowanie bocznych ścian ogrodu zimowego z dwóch rzędów elementów (górnego i dolnego), które można przesuwać w pionie. Zsunięcie elementów górnych w dół czyni z ogrodu otwarte od góry patio. Podniesienie natomiast wszystkich elementów dolnych do góry umożliwia pożądaną w takich rozwiązaniach integrację wnętrza z otoczeniem.
Przebudowane elewacje domów mieszkalnych wielorodzinnych dzięki zastosowaniu różnych form przeszklonych zyskują dodatkowo ciekawszy i mniej monotonny charakter. Na południowych, wschodnich i zachodnich fasadach coraz częściej pojawiają się szklane wykusze, ryzality i okna przestrzenne. Mając zróżnicowaną formę, częściowo zazielenione, oprócz swojego znaczenia termoizolacyjnego, posiadają walory wzbogacające wyraz plastyczny budynku i miejską przestrzeń publiczną.
PODSUMOWANIE
Przeszklony ogród zimowy pozytywnie wpływa na poprawę bilansu cieplnego budynku i na jakość estetyczną obiektu. Przyjaźnie łączy przestrzeń mieszkalną z naturalnym otoczeniem. Z punktu widzenia energooszczędności niewielkie znaczenie ma budowa ogrodu zimowego o powierzchni poniżej 30 m2. Wielkość taka nie gwarantuje również dobrej jakości użytkowej. Jeżeli jest to możliwe, ogród zimowy powinien zostać zlokalizowany od strony południowej. Orientacja wschodnia lub zachodnie zmniejsza energię docierających promieni słonecznych o ok. 30%. Wpływ na bilans ma forma ogrodu i kąta nachylenia przeszklonej połaci dachowej. W celu osiągnięcia odpowiedniego mikroklimatu, w pomieszczeniu powinna zostać uwzględniona możliwość regulacji temperatury, wilgotności powietrza oraz ograniczania nasłonecznienia.
Ponieważ przeszklony budynek zapewnia przez co najmniej 300 dni w roku dodatkową przestrzeń mieszkalną, dom właściwy można zaprojektować o mniejszej powierzchni. W ten sposób udaje się niejednokrotnie zrekompensować nadwyżkę kosztów związanych z budową przeszklonej powierzchni.
LITERATURA
[1] Frantz J., Hanke S., Krampen M., Schempp D.: Ogród zimowy, Arkady, W–wa 2000
[2] Dankiewicz K.: W zimowym gaju, Murator, nr 12 (248) 2004
[3] Majerska – Pałubicka B.: Rozwiązania energooszczędne w architektonicznym projektowaniu obiektów handlowych, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2001
Maria JAWORSKA – MICHAŁOWSKA
Politechnika Krakowska
WARSTWY – DACHY i ŚCIANY 4/2007