Dachy Płaskie

Postęp urbanizacji ma miejsce na całym świecie. Centra wielkich miast charakteryzują się negatywnym wpływem na środowisko, który w efekcie prowadzi do zwiększenia ryzyka wystąpienia powodzi, zanieczyszczenia wód powierzchniowych, zmian miejskiego klimatu oraz zwiększonego zużycia wody i energii. Wzrost poziomu ryzyka wystąpienia powodzi ma miejsce w wielu miastach i wiąże się z ciągłym przyrostem powierzchni nieprzepuszczalnych dla wody, takich jak budynki czy asfaltowe bądź betonowe nawierzchnie.

Rys. 1. Zagospodarowanie terenu w Niemczech, 1997 r.

Roczny przepływ trzech niemieckich rzek: Renu, Mozeli i Menu pokazuje, że należy zwrócić większą uwagę na poprawę rozproszonej retencji wody opadowej. Główną przyczyną powodzi, okresowo niszczących ludzkie osiedla i infrastrukturę znajdującą się wzdłuż rzek, jest bowiem struktura zagospodarowania terenu, ograniczająca retencję, infiltrację i parowanie wody w obrębie zlewni. W 2002 roku powódź na terenie Niemiec wyrządziła straty oszacowane 9 mld euro.

Zwiększenie udziału powierzchni nieprzepuszczalnych (rys. 1) dodatkowo wywiera negatywny wpływ na mikroklimat, zmieniając bilans energetyczny. Różni się on znacznie od tego, który występuje na naturalnych obszarach terenach zieleni. W krajobrazie nieprzekształconym większość opadów ulega wyparowaniu. Przykładem mogą być naturalne zlewnie rzek Szprewy czy Haweli, gdzie około 80% opadu atmosferycznego ulega wyparowaniu lub transpiracji przez rośliny. Aby parowanie było możliwe, niezbędna jest energia. Ten proces fizyczny wytwarza tzw. chłodzenie wyparne (chłodzenie przez wyparowanie cieczy) o wartości 2450 J/g wyparowanej wody, co odpowiada 680 kWh/mł. Wedůug badań przeprowadzonych w Hamburgu w 1957 roku naturalne tereny zielone, np. łąki zużywają rocznie średnio około 86% bilansu promieniowania (Collemann 1958). Ta energia służy roślinom do transpiracji wody i wytworzenia biomasy. Zużyta w ten sposób energia ulegnie ponownej przemianie w momencie kondensacji pary wodnej w atmosferze.

Tabela 1. Wysokość opadu i odpływu, ewapotranspiracja potencjalna i rzeczywista oraz wartość energii chłodzenia z ewapotranspiracji na powierzchni dachu zielonego w Berlinie (Schmidt, 1992, Köhler i in. 2001)

Badania

Zmiany środowiskowe na terenach zurbanizowanych obejmują także obniżenie ewapotranspiracji z opadu i przemianę nawet do 95% bilansu promieniowania na ciepło (rys. 5). Dodatkowo panuje tu zwiększone promieniowanie cieplne, spowodowane wyższą temperaturą powierzchni utwardzonych (np. beton) i ich zdolnością do akumulowania ciepła (rys. 2). W rezultacie temperatura wewnątrz budynków także rośnie i prowadzi do dyskomfortu termicznego lub zwiększonych nakładów energetycznych na klimatyzację. Logicznym rozwiązaniem umożliwiającym uyzskanie komfortowej temperatury powietrza wewnątrz i na zewnątrz budynków jest zazielenienie ich fasad oraz dachów. W ten sposób energia słoneczna jest zużywana na ewapotranspirację roślin. Według pomiarów, które przeprowadziliśmy na terenie UFA Fabrik w Berlinie, 58% bilansu radiacyjnego jest wykorzystywane przez ekstensywne „dachy zielone” na ewapotranspirację w miesiącach letnich (rys. 6). Średnie roczne wykorzystanie energii wynosi 81%, co oznacza, że uzyskana wartość chłodzenia wynosi 302 kWh/(m2 • rok) przy wartości bilansu promieniowania 372 kWh/(m2 • rok) (średnia z lat 1987–89, tab. 1). W państwach klimatu tropikalnego można się spodziewać znacznie wyższych wartości uzyskanej energii chłodzenia wyparnego ze względu na wyższe opady atmosferyczne i większe wartości ewapotranspiracji (Köhler i in. 2001).

Tabela 2. Dane projektowe nowego budynku Uniwersytetu Humboldta w Berlinie

Dachy świata
Zużycie energii na klimatyzowanie i wentylację budynków jest czynnikiem o rosnącym znaczeniu. Zgodnie z dyrektywą Parlamentu Europejskiego w sprawie efektywności energetycznej budynków (2002/91/EC) wdrażać należy technologie pasywnego chłodzenia, które poprawiają warunki klimatyczne w pomieszczeniach oraz mikroklimat wokół budynku.

Ponadto rosnące koszty związane z klimatyzowaniem stały się bodźcem do promowania wysiłków na rzecz oszczędzania energii w sektorze budownictwa.

Rys. 2. Rozkład temperatury na powierzchni dachu zielonego w stosunku do dachu pokrytego papą; pomiary w podczerwieni (Köhler, Schmidt 2002)

Budynek Instytutu Fizyki Uniwersytetu Humboldta w Berlinie (Adlershof) został zaprojektowany przez biuro Architects Augustin and Frank jako miejsce badań oraz powierzchnie biurowe. Został on wyposażony w połączone ze sobą różnego rodzaju technologie zrównoważonej gospodarki wodnej, włączając w to wykorzystanie wody deszczowej do chłodzenia budynku. Projekt określa trzy główne cele gromadzenia wody opadowej. Pierwszym z nich jest zastąpienie w ten sposób cennej wody pitnej. Drugim celem jest retencjonowanie wody opadowej, co powoduje zmniejszenie jej odpływu do systemu kanalizacji w czasie trwania deszczu. Zredukowane w ten sposób obciążenie szczytowe kanalizacji pozwala uniknąć przeciążenia systemu, które mogłoby spowodować powódź i związane z nią poważne problemy zdrowotne. Trzecim celem gromadzenia wody jest zmniejszenie zużycia energii w czasie pory letniej poprzez ewapotranspirację i zacienienie.

Fot. 3. Zielony dach w centrum Berlina w 1984 r. (Paul Lincke Ufer 44, Berlin Kreuzberg)

Woda deszczowa jest gromadzona w pięciu zbiornikach na dwóch dziedzińcach budynku i będzie wykorzystywana do nawadniania zazielenionej fasady oraz zasilania systemu chłodzenia adiabatycznego. „Zielona fasada”, wraz z różnego rodzaju pnączami, została zaprojektowana tak, by szata roślinna odpowiadała porom roku. Roślinność będzie zapewniać cień w ciągu lata, natomiast podczas zimy, gdy rośliny gubią liście, promieniowanie słoneczne będzie przenikać przez szyby do wewnątrz budynku. Projekt uwzględnia stały monitoring zużycia wody przez różne gatunki roślin „zielonej fasady” oraz na potrzeby systemu adiabatycznego chłodzenia. Zarówno zacienienie przez rośliny, jak i proces chłodzenia na drodze ewapotranspiracji będą wpływać na bilans energetyczny budynku.

Fot. 4. Stacja klimatologiczna na ekstensywnym „dachu zielonym”, gdzie przeprowadzane są pomiary energii i pomiary hydrologiczne, UFA-Fabrik w Berlinie, Tempelhof

W sytuacji wyjątkowo ulewnych deszczów nadmiar wody opadowej będzie kierowany do niewielkiego stawu, znajdującego się na jednym z dziedzińców. Instytut jest zlokalizowany w strefie ochronnej wód gruntowych, w pobliżu stacji ujęcia wody pitnej dla miasta. W celu ochrony wód gruntowych dopuszczalna jest jedynie naturalna infiltracja wody przez powierzchnię w głąb gruntu.

Rys. 5. Zmniejszona ewapotranspiracja na obszarach zurbanizowanych powoduje przemianę nawet do 95% bilansu promieniowania w ciepło utajone i zwiększa promieniowanie cieplne

Wszystkie przedstawione dane są wynikiem symulacji i zostały wygenerowane podczas procesu planowania. Aby określić ogólne korzyści, płynące z projektu od samego początku prowadzony jest profesjonalny naukowy monitoring.

Fot. 6. Ekstensywny dach zielony sprawia, że 58% bilansu promieniowania zużywane jest w miesiącach letnich na transpirację; UFA Fabrik w Berlinie, Niemcy

Zbiorniki na wodę deszczową w Adlershof mają łączną objętość równą 1,3% lokalnego rocznego opadu atmosferycznego (8,5 mm). Jest to niewielka ilość, zwłaszcza biorąc pod uwagę rolę zbiorników w gromadzeniu wody w celu nawadniania i chłodzenia. Wiele niepoznanych do końca czynników, włączając w to ilość wody, jaka będzie zużywana przez „zieloną fasadę” oraz system chłodzenia, spowodowało, że przy projektanci musieli przyjąć pewne niezweryfikowane założenia. Monitoring tych czynników dostarczy cennej wiedzy, która będzie mogła być wykorzystana przy realizacji przyszłych projektów.

Fot. 7. Konstrukcja stawu z naturalną infiltracją powierzchniową

Fot. 8. Pnącza zapewniają zacienienie oraz chłodzenie na drodze ewapotranspiracji

Literatura
Collmann, W., 1958. Figures “radiation in Europe”. Report DWD 6, No 42 (Diagramme zum Strahlungsklima Europas. Berichte DWD 6, Nr. 42).
Köhler, M., Schmidt, M., Grimme, F.W., Laar, M., Gusmăo, F. 2001. Urban Water Retention by Greened Roofs in Temperate and Tropical Climate. IFLA-Congress, Singapore.
Köhler, M., Schmidt, M., 2002. Roof-greening, annual report (Jahrbuch Dachbegrünung). Thalacker, Braunschweig, pp. 28 – 33 ISBN 3-87815-179-9.
Schmidt, M. 1992. Extensive greened roofs to improve the urban climate (Extensive Dachbegrünung als Beitrag zur Verbesserung des Stadtklimas). Master, TU Berlin, 75 p.

Linki:
www.gebaeudekuehlung.de
www.stadtentwicklung.berlin.de/bauen/oekologisches_bauen
www.augustinundfrank.de
www.watergy.de

Marco Schmidt
Wydział Architektury Politechniki Berlińskiej

Tłumaczenie: Piotr Pluta

Artykuł ukazał się w e-kwartalniku „Dachy Zielone”,www.dachyzielone.info

Źródło: Dachy Płaskie, nr 1 (6) 2010