Rozdíly v tradičním a novém přístupu k hodnocení denního osvětlení budov

Tradiční přístup k hodnocení úrovně denního osvětlení

Kvantitativní hodnocení denního osvětlení se tradičně provádí při rovnoměrně zatažené obloze pomocí činitele denní osvětlenosti D [%], který je definován vzorcem (1).

(1)

Jedná se o poměr osvětlenosti E_i [lx] v hodnoceném bodě a osvětlenosti E_H [lx] na vodorovné nezastíněné venkovní rovině při rovnoměrně zatažené obloze s poměrem jasu horizontu vůči zenitu 1:3 při tmavém terénu nebo 1:2 při světlém (zasněženém) terénu [1, 2]. Toto poměrové hodnotící kritérium denního osvětlení bylo zavedeno z důvodu neustálé proměnlivosti denní osvětlenosti během dne i roku.

Nový přístup k hodnocení denního osvětlení

Rovnoměrně zatažená obloha byla vymezena Mezinárodní komisí pro osvětlování (CIE) v roce 1955 [3] na základě výzkumu, který provedli P. Moon a D. E. Spencerová [4]. V současnosti je však již CIE definováno 15 typů obloh [5], jejichž charakteristiky vymezili R. Kittler, S. Darula a R. Perez [6]. V mezinárodním měřítku je snahou zavést více komplexní kritéria pro hodnocení denního osvětlení budov a rozvíjí se modelování denního osvětlení založené na klimatických datech (CBDM – Climate Based Daylight Modeling) [7, 8, 9]. Zatímco činitel denní osvětlenosti stanovený při rovnoměrně zatažené obloze nezávisí na orientaci oken ke světovým stranám ani na konkrétní lokalitě, nově zaváděná hodnotící kritéria vycházejí z hodnot denních osvětleností v průběhu roku pro konkrétní lokalitu a orientaci oken ke světovým stranám.

Autonomie denního osvětlení

K novým kritériím pro hodnocení denního osvětlení patří autonomie denního osvětlení DA [%] (DA – Daylight Autonomy). Toto hodnotící kritérium stanovuje, po jakou část roku, kdy je posuzovaná místnost v provozu, je splněna minimální požadovaná hodnota denní osvětlenosti [7]. Minimální požadovaná hodnota denní osvětlenosti je při tom závislá na konkrétních požadavcích pro hodnocenou místnost a v kancelářích se může pohybovat mezi 300 lx [11, 12] až 500 lx [13]. Například hodnota DA = 50 % znamená, že v kanceláři s nepřetržitým provozem od pondělí do pátku mezi 8:00 až 17:00 bude v hodnoceném bodě denní osvětlenost vyšší než minimální požadovaná hodnota v 50 % provozní doby.

Rozdílnost hodnotících kritérií

Lze očekávat, že kvantitativní vyhodnocení denního osvětlení založené na nových hodnotících kritériích povede k odlišným výsledkům oproti tradičnímu vyhodnocení pomocí činitele denní osvětlenosti. Cílem případové studie prezentované v tomto článku je tedy zjistit, do jaké míry se liší velikost plochy místnosti, která je vhodná pro čtení a psaní na základě autonomie denního osvětlení a dle současných českých požadavků založených na činiteli denní osvětlenosti při rovnoměrně zatažené obloze.

Ve studii je hodnocena kancelář, která se nachází v Praze a její provozní doba je nepřetržitě od pondělí do pátku mezi 8:00 a 17:00, přičemž vyhodnocení zahrnuje letní čas. Rozměry kanceláře jsou: hloubka 6 m, šířka 4 m a světlá výška 2,60 m (viz obr. 1). Denní osvětlení této místnosti je zajištěno oknem dlouhým 2 m a vysokým 1,5 m, které je umístěno 0,85 m nad podlahou místnosti. Okno je zaskleno tepelně izolačním dvojsklem s koeficientem prostupu světla 0,8, koeficientem konstrukce otvoru 0,75 a celkovým činitelem znečištění 0,855. Ve studii je uvažováno variantně, že okno místnosti je orientováno na sever nebo na jih. Pro zjednodušení není ve studii zahrnuto použití žaluzií nebo jiných stínících zařízení. Protože denní osvětlení místnosti může být ovlivněno venkovními stínícími překážkami, je ve studii kromě nezastíněné místnosti hodnoceno i zastínění okna místnosti souvislou překážkou konstantní výšky ve vzdálenosti 12 m, jak je zobrazeno na obr. 1. Výška stínící překážky H [m] v rozmezí 6,3 m až 12,9 m byla zvolena tak, aby hodnota činitele denní osvětlenosti D_w [%] v rovině zasklení okna z vnější strany ve výšce 2 m nad přilehlým terénem (viz obr. 1 a tab. 1 až 3) byla pro dále uvedené parametry výpočtu zhruba rovna minimální požadované hodnotě pro kategorie 1 až 4 dle přílohy B normy ČSN 73 0580-1 [1], přičemž hodnota činitele denní osvětlenosti D_w má být pro jednotlivé kategorie nejméně:

• 35 % pro kategorii 1 (prostory s vysokými nároky na denní osvětlení),
• 32 % pro kategorii 2 (běžné prostory s trvalým pobytem lidí),
• 29 % pro kategorii 3 (prostory s trvalým pobytem lidí v souvislé řadové zástavbě),
• 24 % pro kategorii 4 (prostory s trvalým pobytem lidí v mimořádně stísněných podmínkách historických měst).

Hodnoty činitele denní osvětlenosti i autonomie denního osvětlení uvnitř místnosti jsou v případové studii stanoveny ve výšce 0,85 m nad podlahou místnosti v síti bodů dle obr. 1. Síť hodnotících bodů byla zvolena tak, aby bylo možno stanovit co nejpřesněji plochu místnosti vhodnou pro čtení a psaní.

Výpočty denních osvětleností i hodnot činitele denní osvětlenosti byly provedeny v programu DaySim 3.0 [14] při použití klimatických dat z databáze programu EnergyPlus [15]. Denní osvětlenosti byly simulovány s časovým krokem 5 minut. Ve výpočtovém modelu bylo uvažováno s následujícími průměrnými hodnotami činitele odrazu světla: venkovní překážky ρ = 0,3 (dle ČSN 73 0580-2 z roku 1992 [16] tato hodnota odpovídá nepříliš tmavému povrchu), terén ρ = 0,1 (tmavý terén), vnitřní stěny ρ = 0,5, podlaha místnosti ρ = 0,3, strop ρ = 0,7.

Obr. 1: Schéma půdorysu, řezu a umístění hodnocené místnosti

Plocha místnosti vhodná pro čtení a psaní A_rw [m²] bude ve studii stanovena pro tři hodnotící kritéria:

• D_1,5 %: minimální hodnota činitele denní osvětlenosti vhodná pro čtení a psaní uvažovaná hodnotou 1,5 %;
• DA_{300 lx, 50 %}: autonomie denního osvětlení pro minimální osvětlenost 300 lx dosaženou alespoň po 50 % provozní doby kanceláře;
• DA_{500 lx, 50 %}: autonomie denního osvětlení pro minimální osvětlenost 500 lx dosaženou alespoň po 50 % provozní doby kanceláře.

Pro vyhodnocení pomocí činitele denní osvětlenosti je uvažováno s minimální požadovanou hodnotou činitele denní osvětlenosti rovnou 1,5 %, neboť se jedná o hodnotu stanovenou pro čtení a psaní dle v současnosti platné normy ČSN 73 0580-1 [1]. Tuto minimální hodnotu je nutné splnit buď v celé ploše místnosti, nebo alespoň ve funkčně vymezeném prostoru, který je dán izofotou 1,5 %. Z hlediska autonomie denního osvětlení je pro vyhodnocení nutné stanovit jednak prahovou hodnotu denní osvětlenosti vhodnou pro čtení a psaní a dále požadovaný podíl provozní doby kanceláře, po který má být minimální požadovaná denní osvětlenost v kanceláři splněna. V prezentované studii je minimální hodnota denní osvětlenosti vhodná pro čtení a psaní variantně uvažována 300 lx [11, 12] a 500 lx [13], neboť dle různých zdrojů se tato hodnota liší. Provozní doba kanceláře, po kterou má být v hodnotících bodech dosaženo alespoň minimální osvětlenosti, je uvažována 50 % na základě zahraničních doporučení [11] a také multikriteriálního systému hodnocení budov LEED (Leadership in Energy and Environmental Design) [12].

Plochy místnosti A_rw, které jsou dle jednotlivých hodnotících kritérií vhodné pro čtení a psaní, jsou uvedeny v tab. 1. Vyčíslení absolutních ΔA_rw, abs [m²] a relativních rozdílů ΔA_rw, rel [%] v plochách místnosti A_rw vhodných pro čtení a psaní na základě autonomie denního osvětlení DA_{300 lx, 50 %} a DA_{500 lx, 50 %} oproti plochám A_rw stanoveným na základě minimální hodnoty činitele denní osvětlenosti D_1,5 % je provedeno v tab. 2 a 3.

Obr. 2: Izolinie vymezující pro jednotlivá hodnotící kritéria plochy vhodné pro čtení a psaní v případě hodnocené místnosti s jižně a severně orientovaným oknem – pro variantu bez stínění naproti stojící budovou

U všech variant zastínění místnosti se severně orientovaným oknem je plocha místnosti A_rw stanovená dle kritéria autonomie denního osvětlení DA_{500 lx, 50 %} i DA_{300 lx, 50 %} menší než v případě použití vyhodnocení pomocí činitele denní osvětlenosti. Ve srovnání s činitelem denní osvětlenosti je největší absolutní rozdíl ΔA_rw, abs roven 2,72 m² v případě nezastíněné místnosti se severním oknem při požadavku na autonomii denního osvětlení DA_{500 lx, 50 %}. Tento rozdíl v plochách místností A_rw je patrný také z grafického vyjádření na obr. 2, kde jsou pro nezastíněnou místnost se severně i jižně orientovaným oknem zobrazeny izolinie vymezující plochu místnosti A_rw dle jednotlivých kritérií. V důsledku použití nového hodnotícího kritéria je plocha místnosti A_rw při použití kritéria DA_{500 lx, 50 %} u všech hodnocených zastiňovacích situací zhruba o 50 % menší v porovnání s plochou místnosti A_rw stanovenou na základě činitele denní osvětlenosti D_1,5 %. Rovněž u hodnotícího kritéria DA_{300 lx, 50 %} je plocha A_rw v hodnocené místnosti se severně orientovaným oknem menší než při použití kritéria D_1,5 %. Relativní rozdíly ΔA_rw, rel jsou v tomto případě pro jednotlivé zastiňovací situace 11 % až 17 %.

Na rozdíl od místnosti se severně orientovaným oknem je u místnosti s jižně orientovaným oknem při požadované minimální denní osvětlenosti 300 lx po 50 % provozní doby (kritérium DA_{300 lx, 50 %}) plocha A_rw u nezastíněné místnosti o 40 % vyšší než při použití činitele denní osvětlenosti D_1,5 %, rozdíl v plochách místnosti je patrný i z obr. 2. S narůstající výškou stínící překážky však dochází k postupnému zmenšování rozdílu mezi plochami místnosti A_rw stanovenými dle kritérií autonomie denního osvětlení DA_{300 lx, 50 %} a činitele denní osvětlenosti D_1,5 %. Při zastínění okna místnosti překážkou výšky 9,6 m ve vzdálenosti 12 m od hodnocené místnosti je plocha místnosti A_rw stanovená dle kritéria DA_{300 lx, 50 %} pouze mírně vyšší než při stanovení plochy A_rw na základě činitele denní osvětlenosti D_1,5 %. Při výšce překážky 12,9 m ve vzdálenosti 12 m od hodnocené místnosti je plocha A_rw určená dle kritéria DA_{300 lx, 50 %} již menší než při použití činitele denní osvětlenosti D_1,5 %. Pro hodnotící kritérium DA_{500 lx, 50 %} je u hodnocené kanceláře s jižně orientovaným oknem plocha místnosti A_rw pro všechny zastiňovací situace menší než v případě použití kritéria činitele denní osvětlenosti D_1,5 %. V porovnání s vyhodnocením na základě činitele denní osvětlenosti D_1,5 % je plocha místnosti A_rw u hodnotícího kritéria DA_{500 lx, 50 %} menší o 18 % až 38 %, přičemž tento relativní rozdíl se zvyšuje s narůstající výškou překážky v konstantní vzdálenosti.

K vyhodnocení denního osvětlení u jižně orientované kanceláře je však nutné dodat, že v případové studii bylo uvažováno s kvantitativním vyhodnocením bez stínících prvků (např. žaluzií). Z kvalitativního hlediska je však v praxi nutné přímé sluneční záření dopadající do místnosti regulovat stínícími prvky z důvodu zabránění oslnění osob v místnosti a v letních měsících také kvůli omezení přehřívání místnosti v důsledku velkých solárních zisků. Kanceláře se proto doporučuje navrhovat s okny na sever. Právě z důvodu vyloučení příliš vysokých hodnot denních osvětleností způsobených přímým slunečním zářením bývá pro vyhodnocení denního osvětlení pomocí nových hodnotících kritérií používána také prospěšná / užitečná denní osvětlenost (UDI – Useful Daylight Illuminance), o které je více uvedeno například v [8].

Graf 1: Závislost plochy místnosti vhodné pro čtení a psaní dle jednotlivých hodnotících kritérií na činiteli denní osvětlenosti D_w [%] roviny zasklení okna z vnější strany

Při různých úrovních zastínění místnosti venkovní překážkou je patrné, že pro kritéria DA_{300 lx, 50 %} a DA_{500 lx, 50 %} se rozdíly v plochách A_rw mezi severně a jižně orientovanou místností zmenšují se zvyšujícím se zastíněním (viz také graf 1, který zobrazuje závislost velikosti ploch místnosti A_rw dle jednotlivých kritérií na činiteli denní osvětlenosti D_w). Tento trend lze vysvětlit tím, že u kanceláře s jižně orientovaným oknem klesá se zvyšujícím se zastíněním množství denní osvětlenosti z přímého slunečního záření, které dopadá do místnosti. Naopak u místnosti se severně orientovaným oknem s vyšší výškou překážky roste podíl denní osvětlenosti z přímého slunečního záření, které se odrazí do hodnocené místnosti od jižní fasády naproti stojící překážky. Na rozdíl od autonomie denního osvětlení hodnoty činitele denní osvětlenosti stanovené při rovnoměrně zatažené obloze nezávisí na orientaci oken místnosti ke světovým stranám, proto se u severně i jižně orientované místnosti se zvyšující výškou stínící překážky snižují hodnoty činitele denní osvětlenosti v důsledku poklesu oblohové složky činitele denní osvětlenosti, která může být pouze velmi omezeně kompenzována nárůstem vnější odražené složky od stínící překážky.

Závěr

Množství denního světla v interiéru místnosti se tradičně hodnotí pomocí činitele denní osvětlenosti při rovnoměrně zatažené obloze. V mezinárodním měřítku je však snaha zavést více komplexní kritéria pro hodnocení denního osvětlení, mezi která patří i autonomie denního osvětlení. V článku prezentované studii byly srovnány pro hodnocenou kancelář velikosti ploch místnosti, které jsou vhodné pro čtení a psaní z hlediska tří hodnotících kritérií: minimální požadovaná hodnota činitele denní osvětlenosti rovná 1,5 % (D_1,5 %) dle požadavků v současnosti platné normy ČSN 73 0580, autonomie denního osvětlení pro minimální požadovanou denní osvětlenost 300 lx po 50 % provozní doby kanceláře (DA_{300 lx, 50 %}) a autonomie denního osvětlení pro minimální požadovanou denní osvětlenost 500 lx po 50 % provozní doby kanceláře (DA_{500 lx, 50 %}). Ve studii bylo uvažováno variantně s orientací okna místnosti na sever a na jih a dále s různou úrovní zastínění oken místnosti naproti stojící kontinuální překážkou.

Z výsledků studie je patrné, že u hodnocené kanceláře se severně a jižně orientovaným oknem se velikosti plochy místnosti vhodné pro čtení a psaní stanovené pomocí minimální hodnoty činitele denní osvětlenosti rovné 1,5 % ve většině hodnocených situací více blíží plochám stanoveným pomocí kritéria DA_{300 lx, 50 %} než pomocí kritéria DA_{500 lx, 50 %}. Jedinou výjimkou je hodnocená kancelář s jižně orientovaným oknem, které není stíněno naproti stojící překážkou. Zde je vyhodnocení pomocí činitele denní osvětlenosti bližší hodnotící kritérium DA_{500 lx, 50 %} než kritérium DA_{300 lx, 50 %}, neboť denní osvětlenosti v jižně orientované nezastíněné místnosti jsou značně ovlivněny přímým slunečním zářením. Ve studii však nebylo zahrnuto použití stínících prvků (např. žaluzií), které by eliminovaly nadměrné přímé sluneční záření.

Závěrem lze tedy shrnout, že kvantitativní vyhodnocení denního osvětlení v místnosti pomocí autonomie denního osvětlení DA_{300 lx, 50 %} a DA_{500 lx, 50 %} vede ve většině případů k odlišným výsledkům a závěrům než při tradičním vyhodnocení pomocí činitele denní osvětlenosti při rovnoměrně zatažené obloze dle požadavků současných českých norem ČSN 73 0580.

Poděkování

Příspěvek byl vytvořen v rámci řešení projektu č. LO1408 „AdMaS UP – Pokročilé stavební materiály, konstrukce a technologie“ podporovaného Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy v rámci účelové podpory programu „Národní program udržitelnosti I“ a za podpory projektu č. FAST-S-16-3691 financovaného Vysokým učením technickým v Brně – Vnitřní projekty VUT.

Seznam použitých zdrojů

1. ČSN 73 0580-1. Denní osvětlení budov – Část 1: Základní požadavky. Praha: Český normalizační institut, 2007. Ve znění změny Z1 z roku 2011 a Z2 z roku 2017.
2. HOPKINSON, R. G. P. PETHERBRIDGE a J. LONGMORE. Daylighting. London: Heinemann, 1966, 606 s.
3. CIE-E 3.2. Official recommendation CIE-E 3.2: Natural daylight. Proc. CIE Zürich, II, 3.1., 1955.
4. MOON, P. SPENCER, D. E. Illumination from a non-uniform sky. In Illuminating Engineering, Vol. 37 (10), 1942, s. 707–726.
5. CIE DS 011 2/E. Spatial distribution of daylight – CIE standard general sky. Vienna: CIE, 2002.
6. KITTLER, R., DARRULA, S., PEREZ, R. A Set of Standard Skies Characterizing Daylight Conditions for Computer and Energy Conscious Design. Bratislava: Slovenská akadémia vied, 1998, 54 s.
7. MARDALJEVIC, J. Examples of Climate-Based Daylight Modelling in: CIBSE National Conference 2006: Engineering the Future, London, 2006.
8. REINHART, C. J. MARDALJEVIC, ROGERS, Z. Dynamic Daylight Performance Metrics for Sustainable Building Design, Leukos, 2006, 3(1), 7-31.
9. REINHART, C. Daylight Performance Predictions, in: J. Hensen, Building Performance Simulation for Design and Operation, Taylor & Francis, 2011, 235–276.
10. REINHART, C. Daylighting handbook I: Fundamentals designing with the sun, 2014, 199 s.
11. ILLUMINATING ENGINEERING SOCIETY. Approved Method: IES Spatial Daylight Autonomy (sDA) and Annual Sunlight Exposure (ASE). New York: Illuminating Engineering Society of North America, 2013.
12. GREEN BUILDING COUNCIL. LEED v4: Daylighting. USA, 2017. Dostupné z:
    http://www.usgbc.org/credits/healthcare/v4-draft/eqc-0
13. ČSN EN 12464-1. Světlo a osvětlení – Osvětlení pracovních prostorů – Část 1: Vnitřní pracovní prostory. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, 2012.
14. GRADUATE SCHOOL OF DESIGN – HARVARD UNIVERSITY, CAMBRIDGE. Daysim 3.0, USA, 2010.
15. U.S. DEPARTMENT OF ENERGY. EnergyPlus. USA. Dostupné z: https://energyplus.net/weather
16. ČSN 73 0580-2. Denní osvětlení budov – Část 2: Denní osvětlení obytných budov. Praha: Vydavatelství norem, 1992. Ve znění změn Z1 z roku 1997 a Z2 z roku 1999.