Na Politechnice Krakowskiej otwarto nowe Laboratorium Aerodynamiki Środowiskowej. To unikatowe w skali światowej narzędzie do walki o czyste powietrze – nie tylko w Krakowie i Małopolsce, ale też innych regionach kraju. Nowatorska, autorsko zaprojektowana infrastruktura laboratorium pozwoli specjalistom Politechniki na prowadzenie badań z zakresu  inżynierii wiatrowej, inżynierii śniegowej i inżynierii środowiska, dotyczących m.in. przewietrzania miast, transportu zanieczyszczeń, dynamicznego oddziaływania na smog, systemów wymiany i regeneracji powietrza. Laboratorium, którego sercem są imponujące tunele aerodynamiczne, posłuży też do analiz wpływów środowiskowych i klimatycznych (takich jak gwałtowny wiatr, nawalne deszcze czy obfity śnieg)
na konstrukcje, budynki oraz bezpieczeństwo ludzi w nich. 

REKLAMA

Będzie tu można testować innowacyjne rozwiązania dla energetyki wiatrowej, rynku materiałów i produktów budowalnych. Nowe centrum jest też gotowe do podejmowania niestandardowych wyzwań inżynierskich. Może służyć m.in. sportowcom czy służbom ratowniczym do treningu w zmiennych warunkach pogodowych. Współpracę z Laboratorium podjęły już firmy, samorządy i instytucje, 
m.in. polscy liderzy biznesu – firmy Fakro i Maspex oraz Polski Związek Narciarski.

Inwestycja strategiczna – dla Politechniki, Krakowa i Małopolski

– Laboratorium Aerodynamiki Środowiskowej to największa w ostatnich latach inwestycja Politechniki Krakowskiej – strategiczna dla rozwoju uczelni, naszych naukowców i studentów, ale też niezwykle ważna dla Krakowa, Małopolski i innych części kraju. Możliwości badawcze laboratorium wspomogą samorządy w trudnej walce o czyste powietrze dla mieszkańców  miast i regionów – mówi prof. Andrzej Szarata, rektor Politechniki Krakowskiej. 

Warte ponad 34 mln zł laboratorium nowe Politechniki Krakowskiej powstało przy wsparciu ze środków unijnych, pozyskanych przez uczelnię z Regionalnego Programu Operacyjnego Województwa Małopolskiego na lata 2020-2024. Dofinansowanie z UE to  17 460 966 zł, pozostałe środki na budowę pochodziły z budżetu Politechniki i Wydziału Inżynierii Lądowej PK (jego częścią jest nowa jednostka). 

Otwarcie laboratorium wieńczy kilkadziesiąt lat doświadczeń badawczych ekspertów Politechniki
z prof. Andrzejem Flagą na czele. Twórca polskiej szkoły inżynierii wiatrowej, aerodynamiki budowli
i inżynierii śniegowej blisko 25 lat temu stworzył  na krakowskiej politechnice Laboratorium Inżynierii Wiatrowej z tunelem aerodynamicznym. Jego parametry wystarczały jednak głównie do badań modelowych. – Z rosnących wyzwań naukowych, ale też coraz większych potrzeb płynących ze środowiska samorządów i świata gospodarki, narodził się pomysł budowy nowego centrum badawczego, o nieporównywalnie większych możliwościach, w tym takich, które pozwolą się nam zmierzyć z problematyką walki ze smogiem – mówi prof. Andrzej Flaga.   

Laboratorium Aerodynamiki Środowiskowej powstało na terenie kampusu Politechniki w Czyżynach
przy al. Jana Pawła II 37. To trzykondygnacyjny budynek (w tym 1 kondygnacja podziemna)  o powierzchni
1 665 m2 i kubaturze 11 776 m3. Kluczowa infrastruktura LAŚ PK to dwa duże tunele aerodynamiczne
o obiegu zamkniętym, każdy wyposażony w dwie przestrzenie pomiarowe i zróżnicowany system wentylatorów (o oryginalnej konstrukcji i geometrii, wibroizolowanych, z konfuzorami i dyfuzorami).
W zasobach nowego laboratorium są też inne elementy infrastruktury technicznej, kształtującej parametry napływającego powietrza, a także m.in. stoły obrotowe o oryginalnej konstrukcji, zautomatyzowane i wibroizolowane; układy kierownic o oryginalnej konstrukcji i geometrii z możliwością regulacji kąta obrotu kierownic wokół ich własnej osi; złożone, zautomatyzowane urządzenia do symulacji opadu deszczu, opadu mgły lub opadu rozdrobnionych kryształków lodu (szronu) w warunkach wiejącego wiatru; złożone, zautomatyzowane urządzenia do symulacji opadu sztucznego śniegu; zautomatyzowane urządzenie do pomiaru mocy i momentu obrotowego turbin wiatrowych o pionowej lub poziomej osi obrotu wirnika.

– Nowe laboratorium to nowoczesny, pięknie się prezentujący budynek z unikatową aparaturą badawczą autorsko zaprojektowaną przez naszych politechnicznych inżynierów, a zrealizowaną przez polskie firmy. Nikt inny na świecie nie dysponuje tak nowatorskimi i pionierskimi narzędziami badawczymi, jakie mamy teraz w Małopolsce –  zaznacza rektor PK prof. Andrzej Szarata.  – Nowa jednostka Politechniki oferuje szeroki zakres badań w obszarach, których waga dla nauki, ale przede wszystkim dla życia społecznego
i  gospodarczego, będzie stale rosła, bo dotyczą m.in. przewietrzania miast i walki o czyste powietrze, energetyki odnawialnej,  zrównoważonego rozwoju oraz wpływów środowiskowych, wywoływanych
m.in.   zmianami klimatu – na ludzi, budynki i konstrukcje.

Bogate możliwości badawcze – w walce o czyste powietrze dla mieszkańców miast i regionów

Agenda naukowo-badawcza nowego laboratorium obejmuje kilkadziesiąt usług badawczych, dotyczących m.in. kanałów przewietrzania miast. Wyniki badań i analiz prowadzonych w tym obszarze w LAŚ PK mogą dostarczyć planistom i projektantom wiedzy przydatnej do projektowania nowych osiedli
lub modernizacji istniejących czy wznoszenia nowych budynków (zwłaszcza wysokich). Posłużą także jednostkom samorządów (miast, gmin, powiatów, województw) do tworzenia planów zagospodarowania przestrzennego i  formułowania innych uwarunkowań formalno-przestrzennych dla rozwoju obszarów zurbanizowanych (m.in. tworzenia zapisów w miejscowych planach zagospodarowania przestrzennego, studium uwarunkowań i kierunków zagospodarowania przestrzennego). Na podstawie wyników prowadzonych w LAŚ badań  można będzie  m.in. ocenić efektywność proponowanych rozwiązań,
już na wczesnym etapie procesu decyzyjnego w wymiarze programowym, planistycznym i projektowym.

W nowym laboratorium będzie można m.in.:

– opracowywać  mapy wietrzności – system wymiany i regeneracji powietrza (przy wykorzystaniu analiz wieloletnich danych zebranych ze stacji meteorologicznych oraz pomiarów wykonywanych w terenie przy użyciu specjalistycznych urządzeń), takie mapy uwzględniają naturalne kanały spływu powietrza, strugi wentylujące obszary zabudowane – tzw. kanały aerosanitarne;

– prowadzić badania (w tunelu aerodynamicznym) pola prędkości wiatru wybranych obszarów, służące do stworzenia kompleksowej mapy wietrzności dla nich, użytecznej przy projektowaniu architektoniczno-urbanistycznym oraz ustalaniu miejscowych planów zagospodarowania terenu;

– badać (w tunelu aerodynamicznym) transport mas powietrza, w szczególności przewietrzanie terenów zabudowanych (z symulacjami przemieszczania się mas powietrza w zadanych warunkach brzegowych, identyfikacją pola prędkości powietrza,  analizą etapów rozprzestrzeniania się i przemieszczania mas powietrza);

– tworzyć koncepcje możliwych rozwiązań przestrzennych, usprawniających naturalne warunki wymiany i regeneracji powietrza, oparte na badaniach możliwości dynamicznego wymuszania ruchów mas powietrza oraz wskazywaniu najbardziej korzystnych lokalizacji dla elementów wymuszających takie ruchy powietrza (np. wielkoformatowych wentylatorów);

– identyfikować  skażenia mas powietrza – rozprzestrzeniania się smogu i zanieczyszczeń nad terenami zabudowanymi, tworzyć systemy przewidywania i zapobiegania zagrożeniom zdrowia;

– wykonywać modele do badań różnych inwestycji budowalnych wraz z ich otoczeniem, umożliwiające analizę zjawisk aerodynamicznych;

– prowadzić badania modelowe i studium działania lokalnego wiatru na ściany zewnętrzne budynków (łącznie z dachami), mapy rozkładów ciśnień, obwiednie sił i momentów będące podstawą do zaprojektowania i/lub optymalizacji pokryć budowli (okien, ścian osłonowych, elementów pokrycia ścian i dachu, reklam);

– prowadzić badania modelowe i studium prędkości wiatru w poziomie przechodniów  –  dla oceny komfortu wiatrowego przechodniów w analizowanym obszarze, w szczególności w sąsiedztwie: wejść do budynków, ogródków restauracyjnych, parków, elementów rekreacji, stref publicznych; 

– opracowywać mapy topograficzne – komputerowe modele przestrzenne terenu uwzględniające topografię i chropowatość terenu, wynikającą z form jego pokrycia;

–  prowadzić badania klimatyczne: symulacje opadów deszczu i/lub śniegu oraz wiatru oddziaływujących na elementy pokryć dachowych, systemy wentylacji i systemy odprowadzenia wód opadowych oraz stolarkę okienną (połaciową)

– badać oblodzenia elementów budynków i konstrukcji inżynierskich w skali 1:1

– testować siłownie wiatrowe (w skali modelowej) oraz małe turbiny/siłownie wiatrowych w skali 1:1

Tunele aerodynamiczne sercem nowego laboratorium

Najważniejsze elementy infrastruktury badawczej Laboratorium Aerodynamiki Środowiskowej to:

  1. Tunel aerodynamiczny energetyki wiatrowej i aerodynamiki budowli (TA1) – z dwoma przestrzeniami pomiarowymi – dolną (szer. 9,7 m x wys. 2,3 m x długość całkowita 17,7 m) i górną (szer. 9,7 m x wysokość 3,3 m x długość całkowita 12 m,) oraz trzema wentylatorami obok siebie (każdy o średnicy 2,92 m i masie 8,8 ton, prędkości obrotowej 550 obrotów/minutę, mocy nominalnej 204,3 kW i wydajności nominalnej 669 m3/s). Nominalna najwyższa średnia prędkość przepływu powietrza w tunelu to  30 m/s.

Główne przeznaczenie: badania wpływu wiatru na budynki wysokościowe, mosty i kładki dla pieszych, budynki i przekrycia wielkopowierzchniowe; badania rozkładów ciśnień na powierzchniach budynków; badania aeroelastyczne; przewietrzanie miast, transport zanieczyszczeń; badania siłowni wiatrowych, elementów infrastruktury technicznej (wentylacja i klimatyzacja), elementów fasad, dachów (iglice, kominy), konstrukcji inżynierskich; 

  1. Tunel aerodynamiczny klimatyczny inżynierii środowiska (TA2) – z dwoma przestrzeniami pomiarowymi – dolną  (szer. 7,9 m x wys. 4,05 m x dług. całkowita 16,8 m) i górną (szer. 7,9 m x wys. 4,1 m x dług. całkowita 12,9 m,) oraz 6 wentylatorami w 2 rzędach (każdy o średnicy 2,1 m i masie 6 ton, prędkości obrotowej 745 obrotów/minutę, mocy nominalnej 126,7 kW i wydajności nominalnej 707 m3/s). Nominalna najwyższa średnia prędkość przepływu powietrza w tunelu to 20 m/s.

Główne przeznaczenie: badania klimatyczne uwzględniające symulację wiatru, opadu deszczu (od mżawki po deszcz ulewny), zmianę temperatury powietrza w zakresie od -10°C do +25°C, symulację oblodzenia oraz cykli rozmrażania (zestaw promienników podczerwieni)  elementów budynków i budowli, konstrukcji inżynierskich, fragmentów elewacji, turbin wiatrowych, linii elektroenergetycznych; badania eksperymentalne obciążenia śniegiem dachów wielkopowierzchniowych; identyfikacja stref zastoju i turbulencji w złożonych układach urbanistycznych;

  1. Tunel aerodynamiczny wizualizacji przepływów (TA3) – z przestrzenią pomiarową  zamkniętą i otwartą (tunel typu Eiffla; szer. przestrzeni roboczej 1,0 m x wys. 1,0 m x dług. całkowita 3,5 m). Nominalna najwyższa średnia prędkość przepływu powietrza: 20 m/s; 

Główne przeznaczenie: badania rozkładu prędkości powietrza wokół obiektów; wizualizacja przepływu w postaci pola wektorowego prędkości wokół obiektów metodą PIV (Particle Image Velocimetry) i innymi metodami. 

Pandemiczne wyzwania pokonane

Budowa laboratorium ruszyła jesienią 2020 roku. Symbolicznego wbicia pierwszej łopaty dokonali ówcześni rektor PK prof. Andrzej Białkiewicz i dziekan Wydziału Inżynierii Lądowej prof. Andrzej Szarata (obecnie rektor PK). Generalnym wykonawcą  inwestycji był  Zakład Techniczno-Budowlany sp. z.o Polbau.  

Pandemia covid-19, a po niej wojna w Ukrainie, spowodowały niemałe trudności podczas budowy, związane m.in. z gwałtownym wzrostem cen materiałów budowlanych i usług, spowolnieniem dostaw itd. Budowę laboratorium udało się sfinalizować z tak okazałym efektem dzięki ogromnej pracy i determinacji wielu osób na czele z prof. Andrzejem Flagą, dr. inż. arch. Łukaszem Flagą i całym zespołem Laboratorium Inżynierii Wiatrowej. Ważne wsparcie otrzymali od specjalistów z działów technicznych i finansowych PK. 

Oficjalne otwarcie nowego laboratorium odbyło się 30 stycznia 2024 r. z udziałem licznych przedstawicieli władz regionalnych i samorządowych, wśród nich byli m.in. wojewoda małopolski Krzysztof Klęczar, marszałek Józef Gawron, burmistrzowie Żywca – Antoni Szlagor oraz Rabki-Zdrój – Leszek Świder, a także instytucji  (m.in. Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Ceramiki i Materiałów Budowlanych, Polski Związek Narciarski, Polski Komitet Olimpijski) i biznesu, z którymi Politechnika będzie rozwijać współpracę opartą na bogatych możliwościach badawczych nowego nabytku WIL PK. Licznie reprezentowane były także władze Politechniki Krakowskiej, wydziałów, jednostek pozawydziałowych i  administracji uczelni.

Laboratorium Aerodynamiki Środowiskowej zrealizowano jako projekt RPMP.01.01.00-12-0141/18 – dofinansowany z Regionalnego Programu Operacyjnego Województwa Małopolskiego na lata 2014–2020; Oś Priorytetowa 1 – Gospodarka Wiedzy; Działanie 1.1 – Infrastruktura badawcza sektora nauki.