Članek o načrtovanju naravne svetlobe v energijsko
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