Artykuł ten będzie poświęcony analizie przepisów „Rozporządzenia Ministra Infrastruktury w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie”, które są podstawą prawną do obliczenia czasu nasłonecznienia.

Do rozważanej kwestii odnoszą się dwa paragrafy Rozporządzenia: § 40 i § 60. Ograniczę się tylko do analizy przepisów § 60, odnoszących się do mieszkań, gdyż są one najczęściej osią sporu. Również dlatego, że tyczące się ich wnioski można łatwo odnieść do pozostałych zagadnień. 

Poniżej przytaczam fragment Warunków technicznych:

§ 60. 1. Pomieszczenia przeznaczone do zbiorowego przebywania dzieci w żłobku, przedszkolu i szkole, z wyjątkiem pracowni chemicznej, fizycznej i plastycznej, powinny mieć zapewniony czas nasłonecznienia co najmniej 3 godziny w dniach równonocy (21 marca i 21 września) w godzinach 8:oo-16:oo, natomiast pokoje mieszkalne - w godzinach 7:oo-17:oo.

W celu zilustrowania treści do artykułu zostały dodane obrazki, prezentujące cień rzucany przez obiekt. Obrazki te zostały wykonane w programach SketchUp i Shadow Analysis dla lokalizacji w centrum Warszawy. Cień jest rzucany na diagram „linijki słońca” odpowiadający dniom 21 marca i 21 września. Na załączanych obrazkach można zauważyć wiele różnic pomiędzy cieniem wyznaczonym przez program i diagramem, postaram się je wszystkie wyjaśnić w tym artykule.

1. „ ...w dniach równonocy (21 marca i 21 września)...”

Powszechnie uważa się, że równonoc jest to dzień, w którym od wschodu do zachodu jest dokładnie 12 godzin. Czyli upraszczając, długość dnia równa jest długości nocy. Nie jest to do końca prawda. Astronomiczna definicja równonocy jest następująca (za Wikipedią):

Równonoc, ekwinokcjum (łac. aequinoctium)– moment, w którym Słońce przechodzi przez jeden z dwóch punktów, w których ekliptyka przecina równik niebieski, zdarza się dwa razy w roku: 20/21 marca (równonoc marcowa, Słońce przechodzi przez punkt Barana,

Z powyższej definicji wynika, że równonoc nie jest dniem tylko momentem, który zdarza się dwa razy do roku. Również dzień, w którym ten moment się zdarza, może mieć różne daty w różnych latach. Poniżej tabela dat równonocy:

Z tabeli jak i definicji można odczytać, że równonoc wiosenna wypada 20 lub 21 marca (częściej 20), a jesienna 22 lub 23 września.

Przyczyną wypadania równonocy w różne dni jest brak synchronizacji pomiędzy ruchem obrotowym ziemi wokół słońca i wokół własnej osi. Z tego powodu rok ma dokładnie 365,2425 dnia. Co cztery lata przypada rok przestępny aby zniwelować to zjawisko. Brak powtarzalności w cyklu czteroletnim jest spowodowany tym samy faktem, który doprowadził do przesunięcia dat zjawisk astronomicznych względem kalendarza Juliańskiego i konieczności wprowadzenie reformy kalendarza przez papieża Grzegorza XIII.

Dochodzimy tu do pierwszej niejasności zawiązanej ze stosowanie przepisów WT (Warunków technicznych):

Czy analizę należy zrobić dla dni równonocy? Czy dla 21 marca i 21 września? Czy może dla równonocy i 21 marca oraz września jednocześnie?

W przypadku równonocy wiosennej rozbieżność tę można by tłumaczyć przyjętym marginesem dokładności, gdyż wypada w niektórych latach 21-go a w innych 20-go marca. Nie można przyjąć tej linii argumentacji w stosunku do równonocy jesiennej, która nigdy nie wypada 21 września.

Moim zdaniem rozważany zapis można tłumaczyć tym, że jego autor przyzwyczajony był do korzystania z „linijki słońca”. Jest to narzędzie kreślarskie umożliwiające wykreślenie uproszczonego obrysu cienia budynku, a w zestawie tych linijek ta sama linijka odpowiada dniom 21 marca i 21 września.

2. Dobry rok?

Z opisanego wcześniej faktu przypadania równonocy w różnych dniach na przestrzeni lat wynika jeszcze jeden problem związany z interpretacją zapisów WT:

Analiza wykonana dla innego roku będzie miała nieco inny wynik. Poniżej znajdują się rysunki cienia rzuconego przez obiekt o wysokości 25 m w dniu 21 marca 2008 i 21 marca 2011.

Na pierwszy rzut oka różnica może wydawać się niewielka, ale w zbliżeniu (zamieszczonym poniżej) widać że maksymalny zasięg cienia w 2011 jest przesunięty o 45 cm na południe w porównaniu do roku 2008. Odpowiada to dodatkowym 35 cm wysokości dla budynku o wysokości 25 m. Nie jest to może bardzo dużo w tym przypadku, ale gdy projektujemy budynek o wysokości 200 m, różnica pomiędzy analizami wykonanymi dla różnych lat może oznaczać dodatkową kondygnację lub jej brak.

Zapisy WT niestety nie określają, dla którego roku należy przeprowadzić analizę. Racjonalnym wydaje się wykonanie analizy dla roku składania pozwolenia na budowę, ale nie jest też zakazane wybranie najkorzystniejszej dla nas daty. Wydaje się zasadne wykonanie analiz dla całego cyklu użytkowania budynku czyli od 50 do 100 lat, ale czy naprawdę jest sens robić ponad sto analiz?. Wydaje się że idealnym rozwiązaniem było by użycie do obliczeń uśrednionego roku ale on z kolei nie odpowiadał by żadnej rzeczywistej dacie.

3. Czy równonoc wiosenna = równonoc jesienna?

To jest pierwsze pytanie w tym artykule, na które zam odpowiedź.

Nie. Kąt padania promieni słonecznych w dniach równonocy wiosennej mierzony dla tej samej godziny nie jest taki sam.Poniżej przedstawiam rysunki w wyznaczonym cieniem dla 21 marca i 21 września 2008.

Wyraźnie widać różnicę. Z zamieszczonego poniżej detalu można odczytać, że przesunięcie cienia wynosi 414 cm. Odpowiada to przesunięciu obiektu rzucającego cień o dokładnie tą samą odległość. Jest to znaczna wartość dla każdego projektowanego budynku.

Przesunięcie to wynika z nałożenia się na siebie dwóch czynników: analemmy i zmiany czasu z zimowego na letni. Będą one szczegółowo opisane w kolejnych punktach.

W przypadku równonocy wiosennej i jesiennej zapisy WT są jasne. Należy wykonać analizy dla obydwu dni i projektowany budynek w obu przypadkach musi spełniać zapisane w WT wymogi.

4. Czas strefowy, słoneczny, zimowy, letni...

Czemu w ogóle zastanawiać się nad wyborem systemu mierzenia czasu? Przecież umawiając się na spotkanie o 7:00 nigdy nie potwierdzamy czy chodzi o siódmą czasu strefowego CET czy czasu słonecznego. Sugestię, aby do pomiaru nasłonecznienia używać czasu słonecznego wprowadziła „Linijka słońca”, która opierała się o ten właśnie system mierzenia czasu. Z drugiej strony logicznym wydaje się rozwiązanie aby zinterpretować zapis odnoszący się do godziny, w których należy zapewnić nasłonecznienie, jako czas który będzie „na zegarku”. Czyli odpowiednie godziny czasu zimowego (UTC+1) w marcu i letniego (UTC+2) we wrześniu.

Poniżej znajdują się obrazki pokazujące cień rzucony o 9:00:

21 marca – czas zimowy

21 września – czas letni

21 marca – czas słoneczny

21 września – czas słoneczny

Na pierwszych dwóch obrazkach, pokazujących czas zimowy i letni, widać dużą różnicę pomiędzy kształtem rzuconego cienia 21 marca i 21 września. Obserwujemy jednocześnie dużą różnicę pomiędzy cieniem obliczonym przez program i kierunkiem wyznaczonym na linijce słońca. Różnica pomiędzy kształtem cienia w marcu i wrześniu wynika w dużej mierze z tego że raz użyty został czas letni a za drugim razem zimowy. Z tego powodu kierunek padania cienia o 9:00 we wrześniu przypomina bardziej kierunek z 10:00 w marcu niż 9:00. Duża niezgodność z linijką słońca wynika z tego, że jest ona oparta o czas słoneczny, natomiast program rysując cień używał czasu strefowego.

Na dwóch kolejnych obrazkach, obliczonych według czasu słonecznego, różnica pomiędzy cieniem rzuconym w marcu i wrześniu jest znacznie mniejsza. Kierunek padania cienia jest też w obu przypadkach o wiele bliższy temu wyznaczonemu przez linijkę słońca. Większa zgodność wyników wynika z tego, że tym razem jest stosowany wyłącznie czas słoneczny. Zastanówmy się jednak nad różnicami. Kierunek padania cienia w marcu znajduje się nieco na lewo od kierunku wyznaczonego przez linijkę słońca. We wrześniu cień leży nieco na prawo. Spowodowane jest to przez zjawisko o nazwie analemma. Przyczyna powstawania analemmy tkwi w połączeniu 

Zapraszamy do przeczytania drugiej części artykułu: Analiza nasłonecznienia w praktyce cz.2

Podobne artykuły:

• Linijka słońca - opis i sposób użycia
• Analiza zacieniania w praktyce - optymalizacja zagospodarowania działki za pomocą programu Shadow Analysis
• Praktyczne wykorzystanie analizy nasłonecznienia w procesie projektowym
• Wykorzystanie analizy nasłonecznienia do optymalizacji projektu salonu samochodowego