Članek o načrtovanju naravne svetlobe v energijsko

Comments

Transcription

Članek o načrtovanju naravne svetlobe v energijsko
NAČRTOVANJE NARAVNE OSVETLITVE PRI ENERGIJSKO
UČINKOVITIH OBJEKTIH
(objavljeno v zborniku predavanj v sklopu izobraževanj o pasivni hiši 2010 »Reševanje toplotnih mostov pri
pasivnih (in zelo dobrih nizkoenergijskih) hišah«
Neža Močnik u.d.i.a., VELUX Slovenija d.o.o.
Povzetek:
Danes ljudje preživimo do 90% svojega časa v zaprtih prostorih doma ali na delu, s čimer se omeji
izpostavljenost dnevni svetlobi. To dejstvo bi moralo nagovarjati k zasnovi optimalne naravne osvetlitve, ki naj
bi zagotovila ustrezno intenziteto in smer dnevne svetlobe, primeren barvni kontrast, kot tudi zadostno
raznolikost v kvaliteti in moči osvetlitve posameznih prostorov preko dneva. Pri energijsko učinkovitih objektih
je načrtovanje naravne osvetlitve še toliko pomembnejše, saj ima okno kompleksno vlogo: s pravilno orientacijo
je vir toplotnih dobitkov, omogoča osvetlitev prostorov in razgled ter naravno prezračevanje v času ugodnih
zunanjih temperatur.
Dnevno svetlobo je možno preveriti že v fazi načrtovanja z uporabo programa Daylight Visualiser (DVIZ), ki
nam je lahko v pomoč pri optimizaciji in interpretaciji naravne osvetlitve prostorov.
Ključne besede: dnevna svetloba, količnik dnevne svetlobe, program za načrtovanje dnevne svetlobe, DVIZ
Uvod:
Načrtovanje kvalitetne naravne osvetlitve pomeni premišljeno načrtovanje okenskih odprtin. Poleg
razgleda in svetlobe je pri načrtovanju energijsko učinkovitih objektov potrebno upoštevati še toplotne
izgube skozi okna (Uw) ter toplotne dobitke sončnega sevanja. Zaradi težnje k izboljšanju toplotnih
karakteristik oken, se danes vse več uporablja troslojna zasteklitev. Pri tem pa je potrebno upoštevati,
da se s številom stekel in nizkoemisijskimi nanosi zmanjšuje prepustnost stekla za energijo sončnega
sevanja (g) in posledično za svetlobo (τv).
Pri oknih, kjer vlogo senčenja prevzamejo zunanja senčila je tipična vrednost - g za dvoslojno
zasteklitev okoli 0,6 za troslojno pa med 0,45-0,5. Prepustnost za svetlobo pa je za dvoslojno
zasteklitev okoli 77% in za troslojno okoli 68%. Refleksna stekla, ki prevzamejo nalogo senčenja,
imajo prepustnost za energijo sončnega sevanja bistveno nižjo (okoli 28%), hkrati pa tudi slabšo
prepustnost za svetlobo (okoli 45%). Taka stekla dajejo temačnejšo sliko zunanjega prostora, tudi ob
sončnem dnevu.
Pri energijsko učinkovitih objektih je torej smiselno pogledati vse tri lastnosti stekla.
Zaradi solarnih toplotnih dobitkov skozi steklene površine je večina oken orientiranih na južno stran,
kar je lahko pogosto vzrok za neenakomerno porazdelitev svetlobe v prostoru in enoznačno osvetlitev
ter slabšo interakcijo notranjega okolja z bivalnim. Na osvetlitev vpliva tudi lega oz.naklon oken ter
prepustnost stekla za svetlobo. Ker dnevna svetloba ni konstantna je smiselno upoštevati povprečne
vrednosti ali še bolje izračunati naravno osvetlitev pri oblačnem nebu, saj je takrat največja potreba po
umetni razsvetljavi. To so izhodišča, ki so v nadaljevanju vsebine konkretneje opisana.
(Op.: zaradi ČB tiska je barvna verzija prispevka za lažje razumevanje slikovnega materiala objavljena
na: http://www.velux.si/Za_stroko/Uporabni_nasveti/Predpisi_priporocila/Naravna_svetloba)
Površina oken in minimalne zahteve
Področje regulative predpisuje s Pravilnikom o minimalnih tehničnih zahtevah za graditev stanovanj in
stanovanjskih stavb, Ur.l. RS, št.125/03, minimalno površino oken namenjenih osvetlitvi. Za prostore
ali dele prostorov, ki so namenjeni uživanju in pripravi hrane, spanju in bivanju, mora skupna površina
obdelanih zidarskih odprtin (pri tem se upošteva samo tisti del odprtine, ki je več kakor 0,50 m nad
gotovim podom), dosegati najmanj 20 odstotkov neto tlorisne površine teh delov stanovanja.
Ker lahko debelina okvirja predstavlja od 20-40% površine okna (odvisno od proizvajalec oken) je
končni delež površine stekla bistveno manjši.
Pravilnik o zahtevah za zagotavljanje varnosti in zdravja delavcev na delovnih mestih, Ur.l.RS,
št.89/99, predpisuje velikost površin za osvetljevanje delovnih mest z naravno svetlobo v posameznem
delovnem prostoru najmanj 1/8 talne površine prostora.
Izpolnjevanje zahtev o površini oken ne pomeni vedno zagotavljanje enakomerne distribucije dnevne
svetlobe ter zadostne vrednosti po celotni globini. Globino prostora pri stanovanjskih prostorih
omejuje že sam pravilnik, saj določa, da globina prostora ne sme meriti več kot 3 svetle višine, v
kolikor je prostor osvetljen samo preko ene strani.
Količnik dnevne svetlobe – KDS (angl. Daylight Factor)
Ker je kvaliteta naravne osvetlitve poleg velikosti oken odvisna tudi od same geometrije prostora,
razporeditve oken, naklona okna, barve in teksture površin, si lahko pri načrtovanju osvetlitve
pomagamo s količnikom dnevne svetlobe - KDS.
Količnik dnevne svetlobe je razmerje med osvetljenostjo na točki
v prostoru in osvetljenostjo vodoravne nesenčene zunanje
ravnine. Izražen je v procentih ter običajno računan na višini 85
cm od tal, kot najbolj običajni delovni ravnini. Merjen je pri
oblačnem nebu.
KDS kot merilo za načrtovanje kvalitetne osvetlitve uporablja že nekaj držav, ki imajo različne
predpisane vrednosti. Priporočljive vrednosti povprečnega količnika dnevne svetlobe (KDSav) v
prostoru za občutek osvetljenosti pa navaja inštitut CIBSE (The Charted institution of Building
Services Engineers, London), ki priporoča 5% KDSav, da bo prostor deloval izrazito svetlo, z izjemo
zgodnjega jutra in poznega popoldneva. Prostor s KDSav od 2% do 5% daje zadovoljivo osvetlitev s
pogostejšo rabo umetne razsvetljave pri natančnejših opravilih. Prostor s KDSav pod 2% zaznamo kot
premalo osvetljen.
Količnik dnevne svetlobe je možno v fazi načrtovanja za določeno točko v prostoru izračunati, pri
čemer je formula dokaj kompleksna :
KDS = T Aw θ M /(A(1-R2) )
θ – vertikalni kot vidnega neba v odnosu do sosednje stavbe
T – faktor prepustnosti svetlobe glede na vrsto zasteklitve
R - povprečni faktor refleksije površine
A – skupna površina vseh notranjih površin (tla+stene z okni+strop)
M – faktor vzdrževanja čistoče stekla
V prostoru ga lahko tudi izmerimo z luxmetrom, pri čemer moramo najprej izmeriti osvetlitev na točki
znotraj prostora, za katero želimo dobiti vrednosti in zunanjo vrednost osvetlitve . KDS se izračuna s
formulo:
V kolikor je izmerjena vrednost znotraj 200 lux in
zunaj10.000 lux, bo KDS 2%.
Luxmeter
Najbolj običajno predpostavljena minimalna osvetljenost zunanje vodoravne ploskve je 5000 lux,
katero se navadno upošteva pri računanju KDS.
Programsko orodje za pomoč pri načrtovanju naravne osvetlitve prostorov
Razvoj inteligentnih tehnologij in z njimi povezana sodobna programska orodja omogočajo realno
vizualizacijo objektov in prostorov. Tako lahko že v fazi načrtovanja na virtualen način
ugotavljamo, kako bodo objekt ali prostor zaznali uporabniki. Nadgradnja vizualizacijskih orodij so
orodja, ki omogočajo tudi analizo vplivnih parametrov svetlobnega ugodja. Pri tem
je preverjanje kakovosti osvetlitve prostorov z dnevno svetlobo ključno. Eno od takih sodobnih orodij
je VELUX Daylight Visualizer 2 (DVIZ), ki uporabnikom na preprost način omogoča izdelavo
kompleksnih analiz pri načrtovanju naravne osvetlitve. Namenjen je nadgradnji osnovnih znanj o
naravni svetlobi ter dvigu kakovosti načrtovanja s preverjanjem kazalnikov svetlobnega ugodja.
Programsko orodje omogoča hitro modeliranje 3D prostora, kjer lahko pri različni postavitvi, številu
in velikosti navpičnih in strešnih okenskih odprtin, ob različnih dnevih, urah in lastnostih neba
preverimo osvetlitev v prostoru. Ker pa na osvetlitev pomembno vplivajo tudi barva, material in
tekstura, površin, je v programu omogočena izbira teh lastnosti. V program je možno uvoziti 3D
model v ustreznem formatu (obj, skp, dwg, dxf).
Slika 1: S prikazom osvetlitve prostora
program realno ponazori predvideno
osvetlitev, saj je verificiran s testi CIE, s
katerimi preverjamo natančnost
računalniških programov za simulacijo
osvetlitve. Slika levo prikazuje sobo
usmerjeno na JZ 21.marca ob 12. uri pri
zmerno oblačnem vremenu. Slika desno pa
prikazuje osvetlitev sobe z dodanima
strešnima okenskima odprtinama pri enaki
Slika 1; enostranski vir svetlobe ne more enakomerno osvetliti prostora svetlosti neba.
Slika 2; izoluksi kažejo razporeditev svetlobnih vrednosti po prostoru
Slika 3; preverjanje bleščavosti površin
Slika 2: Program s prikazom količnika
dnevne svetlobe KDS (angl. DF - Daylight
Factor) ponazori kakovost in enakomernost
osvetlitve izbrane ravnine, na primer
delovne površine v prostoru. Slika levo
prikazuje izolukse v prostoru, ki je osvetljen
z navpično okensko odprtino 21. marca ob
12.00 uri in oblačnem nebu. Slika desno pa
izolukse v primeru , ko je prostor naravno
osvetljen z dodanima strešnima okenskima
odprtinama. Program izračuna tudi
povprečni količnik dnevne svetlobe KDSav
prostoru. Ta je v prvem primeru 1,8%, v
drugem primeru pa 6,4%.
Slika 3: S programom lahko preverimo
tudi pojavnost bleščanja v prostoru. Slika
levo prikazuje osvetlitev prostora 21.
julija ob 11.00 uri v primeru jasnega neba.
Na sliki desno pa so prikazane svetlosti
površin v prostoru. Vidimo, da imajo
površine okenske špalete, mize in del tal
svetlost višjo kot 2000 cd/m2, kar
povzroča občutek bleščanja. Na sliki
desno so svetlosti površin prikazane z
barvno skalo (false colour), ki območje
bleščanja ponazarja z rdečo barvo.
Vpliv naklona okenske odprtine na osvetlitev prostora
Okna v naklonu bolje osvetlijo prostor, saj so bližje zenitu. Znano je, da okno v naklonu ali strešno
okno bolje osvetli prostor kot vertikalno okno in frčada. To razliko upošteva kar nekaj gradbenih
predpisov posameznih evropskih držav pri določanju velikosti okenskih površin.
Rezultat študije o vplivu treh različnih konfiguracij okenskih odprtin na naravno osvetlitev prostora
(»Impact of three window configurations on daylight conditions«, Danish Building and Urban
Research Institute, 2003) je pokazal, da je količnik dnevne svetlobe pri strešnem oknu dvakrat večji
kot pri vertikalnem oknu in najmanj trikrat večji kot pri frčadi enake velikosti. Svetloba preko
strešnega okna sestoji iz bistveno več različnih svetlobnih vrednosti, kar vpliva na višjo stopnjo
vizualnega ugodja.
Študija je primerjala dnevno osvetlitev v treh identičnih sobah z različnimi okenskimi odprtinami
(slika 4a,b,c). Simulacija dnevne osvetlitve je bila izvedena s pomočjo sistema Radiance Lighting
Simulation System (Ward Larson & Shakespeare, 1998) vključenega v program Autocad Desktop.
Slika 4a: frčada
KDSav je 0,83%
Slika 4b: vertikalno okno
KDSav je 1,37%
Slika 4c: strešno okno
KDSav je 2,85%
Vpliv naklona okna na osvetlitev je smiselno upoštevati pri načrtovanju pozicije okenskih odprtin.
Izraba pete fasade-strehe ali fasade v naklonu lahko pripomore k izboljšanju osvetlitve oziroma
dvigom svetlobnih vrednosti v prostoru.
Vpliv transmisivnosti stekla na KDS
Kot že omenjeno se z izboljšanjem toplotnih karakteristik stekla (večslojnost in nizkoemisijski nanosi)
zmanjšuje prepustnost za svetlobo. S programom DVIZ se je preverjal KDS in KDSav za prostor
velikosti 10 m2, osvetljen z vertikalnim oknom velikosti 2 m2 (20% površine tal). V prvem primeru je
uporabljena dvoslojna zasteklitev s transmisivnostjo svetlobe 77% (τv = 0,77), v drugem primeru
troslojna zasteklitev s transmisivnostjo svetlobe 68% (τv = 0,68), v tretjem primeru pa refleksna
zasteklitev s transmisivnostjo svetlobe 45% (τv = 0,45).
Slika 5a,b,c:
Iz primerjave je razvidno, kako se
zmanjša KDS na točkovnih vrednostih v
prostoru:
KDSav je v prvem primeru 3,8%, v
drugem primeru 3,3% in v tretjem 2,1%.
KDSav je v drugem primeru manjši za
13% glede na prvi primer in v tretjem za
45% glede na prvi primer.
KDSav se zmanjšuje sorazmerno s
prepustnostjo svetlobe.
Slika 5a; τv = 0,77, KDSav je 3,8%
Iz primerjave je tudi razvidno, da se
svetlobna krivulja, ki določa mejo 2,1%
KDS pomika v primeru 5b in 5c proti
oknu.
V kolikor bi želeli ohraniti vrednosti KDS
na določenih površinah oziroma točkah v
prostoru, bi morali povečati okensko
odprtino v razmerju z razliko v
transmisivnosti stekla.
Slika 5b; τv = 0,68, KDSav je 3,3%
Refleksna stekla sicer zmanjšajo
prepustnost sončnega sevanja, a obenem
tudi prepustijo bistveno manj svetlobe v
prostor.
Smiselno je, da vlogo zaščite proti
pregrevanju prevzamejo zunanja senčila.
Notranja senčila so namenjena regulaciji
svetlobe in preprečevanju bleščanja.
Slika 5c; τv = 0,45, KDSav je 2,1%
Izhodiščni parametri: analiza KDS in KDSav, 21. marec, 12:00
Razlike v osončenosti prostorov pri različni orientaciji oken
Različna orientacija okenskih odprtin pomeni tudi različno osončenost prostorov in trajanje
osončenosti. Pri načrtovanju energijsko učinkovitih objektov so okna pomemben vir toplotnih
dobitkov, zato jih je smiselno orientira
orientirati pretežno na južno stran. Južno orientirane okenske odprtine
bodo v zimskih mesecih dajale največ toplotnih dobitkov
dobitkov. Vzhodna
na in zahodna orientacija omogočata
vpad sončnih žarkov globje v prostor. Prostori, ki prejmejo sončno svetlobo
o so prijetni za bivanje,
počutje, zato je pomembno, da prostore razporedimo glede na njihovo namembnost in željo po
izpostavljenosti sončni svetlobi.
Primerjava štirih enako velikih a različno orientiranih otroških sob v mansardi pokaže naslednje
rezultate:
sever
Izhodišča:
- vse sobe so velikosti 12 m2
- velikost okenskih odprtin na čelni
fasadi je 2 m2
jug
S programom DVIZ se je najprej preverjal KDSav :
Slika 6:
Analiza:
oblačno nebo, 21.marec, 12:00
Ker imajo vse sobe enako
površino oken v enakem
naklonu in ker je KDSav
računan pri oblačnem nebu
je KDS
KD av v vseh sobah enak.
Slika 6
Vizualizacija prostorov z vertikalnim oknom:
Slika 7a,b:
Analiza:
delno oblačno nebo, 21.marec,
12:00
Slika 7a
Osvetlitev se z dodanim
strešnim oknom bistveno
izboljša. Slike kažejo enako
izboljšanje v vseh sobah.
Porazdelitev svetlobe je z
dodanim strešnim oknom
enakomernejša, s čimer ima
prostor možnost
fleksibilnejše postavitve
pohištva.
Vizualizacija prostorov z vertikalnim oknom in dodanim strešnim
oknom:
Slika 7b
Vizualizacija prostorov z vertikalnim in strešnim oknom
ob sončnem vremenu:
Slika 7c:
Analiza:
sončno nebo, 21.marec, 12:00
Slika 7c
Sobi, ki sta orientirani na JZ
in JV prejmeta podobno
količino sončne svetlobe od
10:00 ure dalje. Soba
orientirana na SV ob 10:00
uri prejme še zadnje sončne
žarke, medtem, ko je soba na
SZ strani ob 12:00 uri še
neosončena. Sonce vanjo
posije skozi zahodno okno
ob cca 12:30 uri.
Naslednji primer pokaže, da na vrednost KDSav vpliva naklon oken. Analizirana je bila soba velikosti
30 m2, katere okno v južni čelni steni odgovarja 20% tlorisne površine, pri čemer se višina okna 0,5 m
od tal ne upošteva (slika 8a). Naslednja dva primera ohranjata enako površino oken, vendar z različno
postavitvijo (navpično, horizontalno). V primeru 8b se površina oken razporedi ,v primeru 8c se
dodata dve strešni okni na ravno streho.
Slika 8a: KDSav je 4,4%
Slika 8b: KDSav je 4,4%
Slika 8c: KDSav je 6,1%
Povprečni količnik dnevne svetlobe KDSav je pri obeh varianta z vertikalnimi okni enak (8a in 8b).
Različna pa je porazdelitev svetlobe. Pri varianti s strešnimi okni se KDSav poveča za 38% (8c). To
potrjuje dejstvo, da okna, ki so bližje zenitu bolje osvetlijo prostor.
Z razporeditvijo oken se izboljša osvetlitev po globini prostora. Še tako visoko okno ne more
zadovoljivo osvetliti globine, kar je problem pri večjih kvadraturah, kot so delovni prostori, igralnice
ali učilnice.
Vpliv naravne svetlobe na rabo energije v stavbah
Kvalitetna naravna osvetlitev prostorov vodi tudi k zmanjševanju rabe energije za umetno
razsvetljavo. Pri stanovanjskih zgradbah je delež uporabljene električne energije za osvetljevanje med
5% in 10% in do 60% v poslovnih stavbah.
K manjši porabi energije pripomore tudi načrtovanje prostorov, ki bodo imeli večji KDS:
manj od 2%
- ni vpliva na porabo energije
vsaj 5%
- do 50%
12% in več
- do 80%
Pogoj je ustrezna regulacija delovanja svetilk!
Primer analize pasivne hiše
Dnevna svetloba se je s programom DVIZ preverila tudi za pasivno hiši
Zimic v Ljubljani. Analiza je predstavljena na spletni strani:
http://www.velux.si/Za_koncne_kupce/Inspiracija/pasivna_gradnja/realizirani_projekti/Zimic.aspx
Viri in literatura:
- Pravilnik o minimalnih tehničnih zahtevah za graditev stanovanj in stanovanjskih stavb, Ur.l. RS, št.125/03
- Pravilnik o zahtevah za zagotavljanje varnosti in zdravja delavcev na delovnih mestih, Ur.l.RS, št.89/99.
- Daylight, Energy and Indoor Climate Basic Book, VELUX
- Daylight and window design, CIBSE, Lighting guide LG10:1999
- Študija o vplivu različnih okenskih odprtin na osvetlitev prostora:
http://www.thedaylightsite.com/showarticle.asp?id=110&tp=6