METODA BADAWCZA

W badaniach wykorzystano statyczne metody analizowania jakości oświetlenia światłem naturalnym z zastosowaniem symulacji komputerowych [23]. Statyczne metody analityczne bazują przede wszystkim na pomiarze współczynnika światła dziennego DF [10]. Współczynnik światła dziennego jest obecnie określany mianem najpopularniejszego na świecie sposobu analizowania jakości oświetlenia światłem dziennym. Sama ocena rozwiązań projektowych mających na celu uzyskanie najlep-szej jakości oświetlenia naturalnego polega na ustaleniu, które rozwiązanie gwarantuje najwyższy DF (jest on przedstawiany w %). Tutaj należy wspomnieć, że celem pro-jektantów biurowców jest uzyskanie co najmniej wartości 2% na każdym stanowisku pracy (pomiar dokonywany jest najczęściej na poziomie 80 cm). Metoda ta, mimo iż najczęściej stosowana, pozostawia wiele do życzenia. Po pierwsze, podejście „im wię-cej tym lepiej” zupełnie nie bierze pod uwagę ryzyka wystąpienia olśnienia w miejscu pracy. Po drugie, DF jest obliczany dla nieba całkowicie zachmurzonego (programy komputerowe wykorzystują tzw. Model Nieboskłonu Całkowicie Zachmurzonego (ang. Overcast Sky Model)), więc wpływ bezpośredniego światła słonecznego jest cał-kowicie pomijany. W celu zrekompensowania niedoskonałości samej koncepcji współ-czynnika światła dziennego zaproponowano jako element badań autorskich wykonanie dodatkowych symulacji. Kolejność postępowania przedstawia się następująco:

1. Analiza współczynnika światła dziennego DF pozwala wstępnie ustalić rozwią-zania reprezentujące skrajne jakości, dzięki czemu możliwe jest odrzucenie naj-gorszych rozwiązań.

2. Symulacja natężenia oświetlenia dziennego (lx) wykonywana jest dla spraw-dzenia skuteczności zaproponowanych systemów ochrony przeciwsłonecznej (np. stałych przesłon poziomych) i reflektorów świetlnych (np. półek świetl-nych). Zadaniem reflektorów jest przesyłanie światła w głąb pomieszczeń, dzięki czemu uzyskuje się zrównoważony rozkład światła w przestrzeni pracy. Należy podkreślić, że w opisywanej symulacji uwzględniony jest wpływ bezpo-średniego światła słonecznego.

3. Ostatecznie analizowana jest luminancja (cd/m2) w wybranych miejscach pracy. Analiza ta pozwala oszacować ryzyko wystąpienia olśnienia.

Podstawowym minusem statycznych metod analitycznych jest niemożność uwzględnienia zmienności warunków oświetlenia wynikająca z lokalnych uwarunko-wań klimatycznych. Do symulacji wykorzystano następujące oprogramowanie: Auto-desk Ecotect, Radiance.

XII. Zastosowanie symulacji komputerowych do analizy wpływu rozwiązań elewacyjnych... 127

4. WYNIKI

Analizowany obiekt został zlokalizowany w Krakowie (szerokość geograficzna: 50 °N, długość geograficzna: 20 °E). Jest to czterokondygnacyjny biurowiec o wąskim trakcie, przedstawiony na rys. 1.

Rys. 1. Wymiary obiektu i lokalizacja przestrzeni w strukturze budynku, dla której wykonano symulacje, oprac. własne [17]

Pomieszczenie, dla którego przeprowadzono symulacje, znajduje się na drugiej kondygnacji. Jego szerokość wynosi 10,8 m, natomiast głębokość 9,0 m (daje to po-wierzchnię 97,2 m2). Wielkość pomieszczenia dobrano dla uzyskania warunków oświetlenia dziennego panujących w typowym biurze rozwiązanym na planie otwar-tym (ang. open-plan), zlokalizowanym w zrównoważonym biurowcu. Do analiz wy-brano 4 rodzaje elewacji, różniących się wielkością, kształtem i lokalizacją otworów okiennych (są to warianty O1, O2, O4 i O5C na rys. 2).

D. MASŁY, M. SITEK 128

Elewacja O2 reprezentuje rozwiązanie referencyjne, zdaniem Dariusza Masłego najlepsze dla biurowców zlokalizowanych w naszej strefie klimatycznej [16]. Budy-nek ustawiony jest wzdłuż osi wschód–zachód. Analizowana elewacja skierowana jest w stronę południową. Wysokość pomieszczenia w świetle wynosi 3 m. Stosunek po-wierzchni przeszklonej elewacji do jej całkowitej popo-wierzchni w świetle pomieszcze-nia biurowego dla poszczególnych rozwiązań przedstawia się następująco: O1 – 25% (8,0 m2/32,4 m2); O2 – 60% (19,5 m2/32,4 m2); O4 – 27% (8,6 m2/32,4 m2); O5C – 33% (10,6 m2/32,4 m2). Współczynnik przepuszczalności światła dla przyjętego okna dwuszybowego wynosi 64%. Natomiast współczynniki odbicia poszczególnych materiałów przedstawiają się następująco: sufit – 85%, podłoga – 35%, ściany – 65%, półka świetlna – 70%, żaluzje – 63% oraz meble – 50%.

Rys. 3. Obliczone wartości DF, oprac. własne

Zgodnie z kolejnością postępowania w statycznych metodach analitycznych (przedstawioną w punkcie 3), na wstępie wykonano analizy współczynnika światła dziennego DF (rezultaty tych analiz przedstawiono na rys. 3 i 4). Analizowano elewa-cje O1, O2, O4 i O5C. Na tym etapie analiz nie brano pod uwagę urządzeń zatrzymu-jących lub odbijazatrzymu-jących promieniowanie słoneczne do wnętrza budynku. Wprowadze-nie takich rozwiązań zawsze będzie skutkowało Wprowadze-nieznacznym obniżeWprowadze-niem DF (obliczanego dla nieba całkowicie zachmurzonego). Z analiz wynika, że rozkład współczynnika światła dziennego dla trzech porównywanych wariantów elewacji (O1, O4 i O5C) jest prawie jednakowy. Należy tutaj zwrócić uwagę, że większa po-wierzchnia przeszklenia w wariancie O5C (33%) nie poprawia jakości oświetlenia dziennego na powierzchni pracy, co jest potwierdzeniem założenia 2 z punktu 2.

O1 O2 O4 O5C Odległość od okna (m) Daylight factor (%)

XII. Zastosowanie symulacji komputerowych do analizy wpływu rozwiązań elewacyjnych... 129

Rys. 4. DF – widoki przestrzeni biurowej, oprac. własne [17]

Kolejny etap analiz to symulacje natężenia oświetlenia dziennego. Symulacje prze-prowadzono dla dwóch dni: 21 marca (przesilenia wiosennego) i 21 czerwca (najdłuż-szego dnia w roku, gdy położenie słońca nad horyzontem jest najwyższe). Dla 21 czerwca przyjęto nieboskłon czysty, natomiast dla 21 marca nieboskłon częściowo zachmurzony. W tych analizach, w przeciwieństwie do pierwszego etapu, uwzględ-niany jest wpływ bezpośredniego światła słonecznego. Zastosowanie reflektorów świetlnych, odbijających promienie słoneczne w głąb pomieszczenia, pozwala znacz-nie poprawić jakość oświetlenia. Rozkład natężenia światła w pomieszczeniu staje się bardziej równomierny. Do badań wybrano najpopularniejsze rozwiązanie – półkę świetlną. Ze względów funkcjonalnych zastosowano ją w elewacjach z horyzontalny-mi pasahoryzontalny-mi okien – warianty O2_A i O4_A (rys. 2). Ponadto na tym etapie analiz uwzględniono, że bezpośrednie światło słoneczne może być źródłem olśnienia. W takiej sytuacji konieczne jest zaproponowanie urządzeń zacieniających. Wszystkie analizowane rodzaje elewacji (O1, O2_A, O4_A i O5C) zostały wyposażone w ru-chome żaluzje poziome. W elewacji O5C są to żaluzje o dwóch kątach nachylenia. Powyżej wysokości 1,8 m kąt nachylenia żaluzji jest stały i wynosi 5°, poniżej żaluzje są ruchome. Opisywany etap badań został poprzedzony analizami ryzyka wystąpienia

D. MASŁY, M. SITEK 130

olśnienia. W konsekwencji 21 marca dla godzin 12.00 i 14.00 przyjęto kąt nachylenia żaluzji wynoszący 30°, natomiast dla 16.00 – 15°. Dnia 21 czerwca we wszystkich przypadkach kąt nachylenia żaluzji wynosi 30°.

0 100 200 300 400 500 600 700 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Na tęż eni e świ at ła  (l x) Odległość od okna (m) 21 marzec 12:00 0 100 200 300 400 500 600 700 0 1 2 3 4 5 6 7 8 fasada 01 żaluzje poziome kąt nachylenia 30 st. fasada O2_A żaluzje poziome kąt nachylenia 30 st. paraboliczna półka świetlna 90+90 fasada O4_A żaluzje poziome 30 st. paraboliczna półka świetlna 90 wewnętrzna fasada O5C żaluzje poziome o dwóch kątach nachylenia 5st.+30st. Nat ęż en ie świ at ła  (lx) Odległość od okna (m) 21 marzec 14:00 0 100 200 300 400 500 600 700 0 1 2 3 4 5 6 7 8 fasada 01 żaluzje poziome kąt nachylenia 30 st. fasada O2_A żaluzje poziome kąt nachylenia 15 st. paraboliczna półka świetlna 90+90 fasada O4_A żaluzje poziome 15 st. paraboliczna półka świetlna 90 wewnętrzna fasada O5C żaluzje poziome o dwóch kątach nachylenia 5st.+15st. Nat ęż en ie świ at ła  (lx ) Odległość od okna (m) 21 marzec 16:00

Rys. 5. Wykresy porównujące natężenie światła dziennego 21 marca dla analizowanych czterech wariantów elewacji, oprac. własne

Wyniki symulacji przedstawiono na rys. 5 i 6. Wynika z nich, że rozwiązanie O4_A daje jednoznacznie wyższą jakość oświetlenia o godz. 12.00 i 14.00, niż ele-wacje O1i O5C. Obserwujemy wyższe natężenie oświetlenia i jego bardziej równo-mierny rozkład. O godz. 16.00, przy najmniejszym kącie padania promieni słonecz-nych różnice te nie są już tak wyraźne. Najnowsze wyniki badań wykazały odczuwanie przez użytkowników komfortu dla natężenia światła dziennego w prze-dziale 100-2000 lx [18, 23]. Z perspektywy tych wyników możemy stwierdzić, że wariant O4_A zapewnia akceptowalne warunki oświetlenia nawet na stanowisku pracy oddalonym 6 m od elewacji, w 5 na 6 analizowanych przypadków.

Zdecydo-XII. Zastosowanie symulacji komputerowych do analizy wpływu rozwiązań elewacyjnych... 131

wanie najgorsze warunki występują w wariancie O1. Porównywalnie złe oświetlenie naturalne występowałoby w biurze O5C, gdyby nie wprowadzono żaluzji o dwóch kątach nachylenia. 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Nat ęż en ie świ at ła  (lx ) Odległość od okna (m) 21 czerwiec 12:00 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 0 1 2 3 4 5 6 7 8 fasada 01 żaluzje poziome kąt nachylenia 30 st. fasada O2_A żaluzje poziome kąt nachylenia 30 st. paraboliczna półka świetlna 90+90 fasada O4_A żaluzje poziome 30 st. paraboliczna półka świetlna 90 wewnętrzna fasada O5C żaluzje poziome o dwóch kątach nachylenia 5st.+30st. Na tęż en ie świat ła  (l x) Odległość od okna (m) 21 czerwiec 14:00 0 100 200 300 400 500 600 700 0 1 2 3 4 5 6 7 8 fasada 01 żaluzje poziome kąt nachylenia 30 st. fasada O2_A żaluzje poziome kąt nachylenia 30 st. paraboliczna półka świetlna 90+90 fasada O4_A żaluzje poziome 30 st. paraboliczna półka świetlna 90 wewnętrzna fasada O5C żaluzje poziome o dwóch kątach nachylenia 5st.+30st. Na tęż eni e świ at ła  (l x) Odległość od okna (m) 21 czerwiec 16:00 Na tęż eni e świ at ła  (l x) Odległość od okna (m) 21 czerwiec 16:00

Rys. 6. Wykresy porównujące warunki oświetlenia światłem dziennym 21 czerwca dla analizowanych czterech wariantów elewacji, oprac. własne

Podsumowując, modne rozwiązania elewacji (patrz wariant O5C) nie zawsze idą w parze z najwyższą jakością warunków oświetlenia naturalnego przestrzeni pracy. Ponadto właściwe decyzje projektowe dotyczące wyboru systemów dystrybucji świa-tła dziennego i ochrony przeciwsłonecznej pozwalają znacznie poprawić jakość oświetlenia w pomieszczeniach biurowych. Istotne jest również, że wyniki analiz współczynnika światła dziennego (DF) w najmniejszym stopniu nie sugerowały różnic jakościowych, które stały się oczywiste po przeprowadzeniu symulacji natężenia oświetlenia dziennego.

D. MASŁY, M. SITEK 132

5. WNIOSKI

Badania przedstawione w opracowaniu, a także wcześniej opublikowane wyniki [16–18] wykazują, że statyczne metody analizowania jakości oświetlenia światłem dziennym nie są idealnym rozwiązaniem. Możemy wypunktować wiele poważnych niedoskonałości idei współczynnika światła dziennego DF, są one jednak rekompen-sowane wykonaniem kolejnych symulacji, wymienionych w punkcie 3. Istotnym jest, że statyczne metody analityczne umożliwiają wiarygodną ocenę analizowanych roz-wiązań projektowych, podczas gdy opieranie się w ocenach jakości oświetlenia natu-ralnego na wymogach zawartych w „Warunkach technicznych, jakim powinny odpo-wiadać budynki i ich usytuowanie” nie daje żadnej gwarancji uzyskania wysokiej jakości oświetlenia światłem dziennym. Została opracowana kolejna generacja narzę-dzi symulacyjnych – dynamiczne metody analizowania jakości oświetlenia światłem dziennym [18]. Metody te wyeliminowały główną niedoskonałość ich statycznych odpowiedników i wszystkie symulacje wykonywane są dla lokalnych, specyficznych dla lokalizacji budynku warunków klimatycznych.

Zaprojektowanie właściwego systemu oświetlenia światłem naturalnym, który za-pewnia wystarczającą ilość światła, eliminuje ryzyko olśnienia i chroni przestrzeń pracy przed przegrzewaniem, jest bardzo trudnym zadaniem. Realizacja tego zadania z pominięciem wykorzystania najnowocześniejszych metod, technik i narzędzi symula-cyjnych jest praktycznie niemożliwa. Projektowanie obiektów architektonicznych pod kątem optymalnego wykorzystania światła dziennego, uwzględniając nowe odkrycia w zakresie potrzeb psychofizycznych człowieka, a także wymogi rozwoju zrównowa-żonego, staje się jednym z głównych wyzwań, przed którymi stają projektujący.

LITERATURA

[1] ALTOMONTE S., Daylight and the Occupant. Visual and physio-psychological well-being in built

environments, PLEA 2009, The 26th Conference on Passive and Low Energy Architecture, Quebec

City 2009.

[2] ARUP, SAUERBRUCH HUTTON, EXPERIENTIA, GALLEY ECO CAPITAL, C_life. City as

living factory of ecology, Manual, Low2No Design Competition, Jatkasaari, Helsinki 2009

(www.low2no.org).

[3] BERSON D.M., DUNN F.A., TAKAO M., Phototransduction by retinal ganglion cell that set the

circadian clock, Science, 2002, 295.

[4] BRAINARD G.C. i inni, Action spectrum for melatonin regulation in humans: evidence for a novel

circadian photoreceptor, Journal of Neuroscience, 2001, 21 (16).

[5] BULOW-HUBE H., Daylight in glazed office buildings. A comparative study of daylight availability,

luminance and illuminance distribution for an office room with three different glass areas, (Report

EBD-R-08/17), Lund, Sweden: Department of Architecture and Built Environment, Division of Energy and Building Design, Lund University, Faculty of Engineering, 2008.

[6] CHOI J., BELTRAN L.O., Study of the Relationship between Patients’ Recovery and Indoor

Day-light Environment of Patient Rooms in Healthcare Facilities, Proc. of the 2004 ISES Asia-Pacific

XII. Zastosowanie symulacji komputerowych do analizy wpływu rozwiązań elewacyjnych... 133 [7] DUBOIS M.C., BLOMSTERBERG A., FLODBERG K., Towards zero energy office buildings in

Northern Europe: Preliminary results of daylighting simulations, [w:] SB11 Helsinki – 6th World

Sustainable Building (SB) Conference, proceedings, Vol. 1, Finnish Association of Civil Engineers RIL, VTT Technical Research Centre of Finland, Helsinki 2011, 382–383.

[8] FONTOYNONT M., Daylight Performance of Buildings, James & James (Science Publishers) Ltd. for the European Commission Directorate General XII for Science, Research and Development, London 1999.

[9] GALASIU A.D., ATIF M.R., Applicability of Daylighting Computer Modelling in Real Case

Stud-ies: Comparison between Measured and Simulated Daylight Availability and Lighting Consumption,

A report of IEA (International Energy Agency) SHC Task 21, IEA ECBCS Annex 29: Daylight in Buildings 1998.

[10] HEIM D., Ocena komfortu wizualnego w pomieszczeniach przy pomocy symulacyjnych technik

obliczeniowych, [w:] Problemy jakości powietrza wewnętrznego w Polsce 2007, pod red. J. Sowy

i M. Mijakowskiego, Wydział Inżynierii Środowiska Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2008. [11] HESCHONG L., WRIGHT R.L., OKURA S., Daylighting Impacts on Human Performance in

School, Journal of the Illuminating Engineering Society 2002.

[12] INTERNATIONAL ENERGY AGENCY, Daylighting in Buildings. A Source Book on Daylighting

Systems and Components, A Report of IEA Solar Heating & Cooling Task 21, Energy Conservation

in Buildings and Community Systems Annex 29, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley 2000.

[13] KEELER M., BURKE B., Fundamentals of Integrated Design for Sustainable Building, John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey 2009.

[14] KUWABARA B., AUER T., GOULDSBOROUGH T., AKERSTREAM T., KLYM G., Manitoba

Hydro Place. Integrated Design Process Exemplar, PLEA 2009, The 26th Conference on Passive

and Low Energy Architecture, Quebec City 2009.

[15] MASŁY D., Kierunki rozwoju w projektowaniu inteligentnego budynku zrównoważonego na

przy-kładzie biurowców (Development Directions of Designing Intelligent Sustainable Office Buildings),

[w:] Inteligentne budynki. Innowacyjne kierunki rozwoju, pod red. J. Mikulika, Oficyna Wydawni-cza Text, Kraków 2012, 121–141.

[16] MASŁY D., Analysis of Natural Lighting with Regard to Design of Sustainable Office Buildings

in Poland, [w:] Human Experience in the Natural and Built Environment: Implications for Re-search, Policy, and Practice, 22nd IAPS Conference, conference abstracts, International Association

People-Environment Studies, Strathclyde University, Glasgow 2012.

[17] MASŁY D., Investigation of the Use of Daylight in Office Buildings, [w:] Solar Building Skins, Conference Proceedings of the 7th Energy Forum, Economic Forum, Bressanone 2012.

[18] MASŁY D., Daylit Intelligent Sustainable Offices: Results of Daylight Simulation Study, [w:] Sus-tainable Environments in a Changing Global Context. Identifying Opportunities for Innovative Spaces and Practices in Contexts of Crisis – IAPS International Network Symposium 2013, Book of Proceedings – Abstracts, International Association People-Environment Studies, Instituto de Estu-dios e Investigacion Psicosocial “Xoan Vicente Viqueira”, A Coruna 2013.

[19] MIERZWIŃSKI S., Wentylacja hybrydowa w budownictwie zrównoważonym, [w:] Problemy

ja-kości powietrza wewnętrznego w Polsce 2003, pod red. T. Jędrzejewskiej-Ścibak i J. Sowy,

Wy-dawnictwa Instytutu Ogrzewnictwa i Wentylacji Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2004. [20] ODYJAS A., Systemy klimatyzacji i ogrzewania niskoenergetycznego budynku biurowego,

Chłod-nictwo & Klimatyzacja, 9/2009 (134), wrzesień.

[21] REINHART C.F., PETINELLI G., Advanced Daylight Simulations Using Ecotect, Radiance,

Day-sim – Getting Started, National Research Council Canada, Institute for Research in Construction,

D. MASŁY, M. SITEK 134

[22] REINHART C.F., WIENOLD J., The Daylighting Dashboard – A Simulation-Based Design

Analy-sis for Daylit Spaces, Building and Environment, 2011, 46, 386–396.

[23] REINHART C.F., MARDALJEVIC J., ROGERS Z., Dynamic Daylight Performance Metrics for

Sustainable Building Design, Leukos 2006, Vol. 3, No. 1, Lipiec.

[24] SCARTEZZINI J.L., MUNCH M., Light beyond Vision: Day and Night in Building Science and

Chronobiology, wykład, SwissNEX, San Francisco 2010.

[25] UTZINGER M., Hybrid Ventilation Systems and High Performance Buildings, PLEA 2009, The 26th Conference on Passive and Low Energy Architecture, Quebec City 2009.

THE USE OF DAYLIGHT SIMULATION STUDIES TO ANALYSE THE INFLUENCE OF FACADE SOLUTIONS ON QUALITY OF DAYLIGHT IN OFFICES

A maximum use of daylight in office workspace and an effective protection against excessive heat gains coming from the direct solar radiation are becoming the main aims on the way to achieve reduction in energy use, high building performance and comfort of XXI century offices’ users. The provision of a high performing office building depends on the understanding of architectural solutions’ influence on the quality of natural lighting in office space. Daylight simulation studies employing the state–of–the–art computer software have the ability to provide this crucial knowledge at present-day stage of technologi-cal development. This paper presents results of daylight computer simulations done for 4 different fa-cades of an office building. An open-plan office located in the southern part of Poland (latitude: 50 °N, longitude: 20 °E) was analysed. Different facades (window placements and shapes, glazing-to-wall (GWR) ratios), light shelves and shading devices (venetian blinds) were compared in this study. The simulations were made with the assistance of the Autodesk Ecotect and Radiance software.

ROZDZIAŁ XIII