Poznámka k přesnosti měření činitele denní osvětlenosti
Cílem návrhu denního osvětlení je zjednat do místnosti přístup slunečnímu světlu, které je rozptýleno v atmosféře, a zjednat tak při denním světle zrakovou pohodu pro uživatele interiéru, tj. vhodné světelné podmínky pro zrakové práce v interiéru konané. Požadavky na denní osvětlení jsou formulovány v ČSN 730580-1 až 4. Požadavky jsou závazné, protože příslušné články uvedených norem jsou stanoveny jako závazné zákony a vyhláškami 268/2009 Sb. o technických požadavcích na stavby, 258/2000 Sb. o veřejném zdraví, 410/2005 Sb. hygienické požadavky na prostory pro výchovu a vzdělávání dětí, nařízení vlády 361/2007 Sb. kterým se stanoví podmínky ochrany zdraví při práci.
Cílem návrhu denního osvětlení je zjednat do místnosti přístup slunečnímu světlu, které je rozptýleno v atmosféře, a zjednat tak při denním světle zrakovou pohodu pro uživatele interiéru, tj. vhodné světelné podmínky pro zrakové práce v interiéru konané. Požadavky na denní osvětlení jsou formulovány v ČSN 730580-1 až 4. Požadavky jsou závazné, protože příslušné články uvedených norem jsou stanoveny jako závazné zákony a vyhláškami 268/2009 Sb. o technických požadavcích na stavby, 258/2000 Sb. o veřejném zdraví, 410/2005 Sb. hygienické požadavky na prostory pro výchovu a vzdělávání dětí, nařízení vlády 361/2007 Sb. kterým se stanoví podmínky ochrany zdraví při práci.
Kvantitativním kritériem světelného stavu vnitřního prostředí, který charakterizuje úroveň denního osvětlení, je činitel denní osvětlenosti D [%]. Pro průkaz splnění požadavků ČSN 730580-1 až 4 postačí stanovit jeho hodnotu při nejméně příznivém stavu venkovního osvětlení - při zatažené obloze v zimě, která je nezávislá na světových stranách, protože slunce je zcela skryto za mraky. Podle tohoto modelu je obloha plošným zdrojem světla, jehož jas Lε (cd.m-2) závisí jen na průměrném jasu oblohy Lm (cd.m-2) a výškovém úhlu ε (°) nad obzorem podle vztahu ( 1 ).
se nazývá činitel gradovaného jasu. Návrh denního osvětlení není jen záležitostí volby velikosti okenního otvoru, ale souvisí i proporcemi navrhované místnosti, se vzájemnými odstupy mezi budovami a s výškovou úrovní zástavby. Požadavky na množství a kvalitu denního osvětlení interiérů budov vycházejí z vlastností a funkce zraku člověka.
Činitel denní osvětlenosti je definován jako poměr osvětlenosti Em (lx) pracovní roviny v interiéru k současné osvětlenosti EH (lx) nezastíněné vodorovné roviny. Tento poměr vyjadřujeme v procentech.
Měření činitele denní osvětlenosti se provádí dvěma luxmetry. Jedním se stanoví osvětlenost Em (lx) na pracovní rovině v interiéru a druhým současná horizontální exteriérová osvětlenost EH (lx) na nezastíněné vodorovné rovině. Jasoměrem se při měření kontroluje rozložení jasu na obloze. Tím se zajistí, aby se podmínky měření blížily výpočtovému modelu zatažené oblohy v zimě.
Obr. 1 Schéma měření činitele denní osvětlenosti
ČSN 361100-2 Měření osvětlení vnitřních prostorů - Měření denního osvětlení (březen 2006) stanoví tyto nejistoty měření:
a) nejistota kalibrace (luxmetrů, jasoměru)
b) nejistota chybami měřidel (luxmetrů, jasoměru)c)nejistota chybou zaokrouhlování
d) nejistota z chyby korekcí (na kalibrační křivku, druh světla)
e) nejistota chybami metody
- e1) plošné umístění fotonky (luxmetru, jasoměru)
- e2) výškové umístění fotonky (luxmetru, jasoměru)
- e3) směrování jasoměru
- e4) chyba časového souběhu odečtu
- e5) chyba rovnoměrnosti zatažení oblohy
- e6) měřící body (počet a umístění)
- e7) ostatní
Tento příspěvek se soustředí na nejistoty e5) a e7). ČSN 361100-2 stanoví, že kontrola jasů oblohy se provádí v zenitu - jas Lz (cd.m-2) - a v místech s výškovým úhlem 15° a 45° - L15 a L45 (cd.m-2). Aby měření bylo platné, musí poměr jasů být v tolerancích ( 3 ) a ( 4 )
Diagram na obrázku 2 ukazuje závislost poměru jasů Lε / LZ na výškovém úhlu ε (°). Prostřední černá křivka se týká výpočtového modelu zatažené oblohy v zimě tak, jak je stanoven v ČSN 730580-1 (dále jen normová obloha). Červená a modrá křivka představuje modely rovnoměrně zatažené oblohy, které by ještě z hlediska požadavků ČSN 361100-2 vyhověly pro měření. Červená představuje z hlediska poměrů jasů oblohu maximální, zatímco modrá představuje oblohu minimální. Pro obě oblohy je stanovena i závislost činitele gradovaného jasu q (-) na výškovém úhlu ε (°). Požadavku ČSN 361100-2 by vyhověl i model naznačený přerušovanou zelenou čarou, avšak ten již nepředstavuje oblohu zataženou rovnoměrně.
Obr. 2 Závislost poměru jasů Lε / LZ na výškovém úhlu ε
ČSN 730580-2 Denní osvětlení obytných budov požaduje pro obytné místnosti denní osvětlení v hodnotě nejméně Dmin = 0,7 % ve dvou kontrolních bodech A a B podle obrázku číslo 3 a zároveň požaduje průměr z hodnot v těchto dvou bodech nejméně Dm = 0,9 %. Je-li okno umístěno v ose obytné místnosti, pak to automaticky znamená, že hodnota činitele denní osvětlenosti v žádném z těchto dvou kontrolních bodů nesmí klesnout pod 0,9 %.
Obr. 3 Kontrolní body A, B pro posuzování činitele denní osvětlenosti
obytné místnosti dle ČSN 730580-2 Denní osvětlení obytných budov
Protože dostupné výpočetní programy neumožňují stanovení činitele denní osvětlenosti při jiném modelu než zatažené obloze v zimě podle ČSN 730580-1, byla ke kontrolnímu výpočtu v místnosti použita metoda dílčích zdrojů v kombinaci s modifikovanou metodou BRS pro stanovení vnitřní odražené složky činitele denní osvětlenosti. Výpočet byl proveden jednak pro volný horizont a jednak pro stínění okna průběžnou překážkou s úhlem zastínění 40°, která brání přímému přístupu světla z oblohy do bodů A a B. Výpočet byl proveden pro tři výše uvedené modely zatažené oblohy.
- minimální oblohu
- normovou oblohu
- maximální oblohu
Při výpočtu byly uvažovány podmínky obvyklé pro obytné místnosti:
- dvojité zasklení čirým sklem τs = 0,846
- vliv neprůsvitných konstrukcí okna τk = 0,75
- znečištění vnější střední τze = 0,90
- znečištění vnitřní malé τzi = 0,95
- střední činitel odrazu světla povrchů v místnosti ρm = 0,50
Výsledky výpočtu jsou uvedeny v tabulce 1. V tabulce jsou odděleně uvedeny jednotlivé složky činitele denní osvětlenosti i jeho celková hodnota
| volný horizont | stínění při Z = 40° | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| obloha | Ds | De | Di | D | Ds | De | Di | D |
| minimální | 0,512 | 0 | 0,665 | 1,18 | 0 | 0,113 | 0,492 | 0,605 |
| normová | 0,740 | 0 | 0,800 | 1,54 | 0 | 0,113 | 0,490 | 0,603 |
| maximální | 0,825 | 0 | 0,846 | 1,67 | 0 | 0,113 | 0,488 | 0,601 |
Tabulka 1: Vypočtené hodnoty činitele denní osvětlenosti pro místa A a B v obytné místnosti
Z tabulky je zřejmé, že velkou nejistotu naměřených hodnot v důsledku nestálého stavu zatažené oblohy je možno očekávat při malém stínění. U volného horizontu je zjištěný rozdíl hodnot
ΔD = 1,67 - 1,18 = 0,49%
To při hodnotách činitele denní osvětlenosti okolo 1,0 % až 1,5 % představuje nejistotu, která by mohla i ovlivnit hodnocení dané místnosti (např. při menším okně, kdy by se hodnoty činitele denní osvětlenosti ve sledovaném místě pohybovaly okolo limitní hodnoty 0,9 %). Při větším stínění již změna rozložení jasů na obloze nemá na výsledek měření tak velký vliv. Výpočtem, kdy byl uvažován úhel zastínění Z = 40° a nulová oblohová složka Ds = 0 %, byla pro všechny tři modely oblohy stanovena hodnota D = 0,6 %. Vliv změny jasů oblohy v tolerancích stanovených v ČSN 361100-2 se na výsledku měření činitele denní osvětlenosti v tomto případě prakticky neprojevil.
Kritériem míry zastínění stávajících budov novostavbami je činitele denní osvětlenosti Dw (%) (svislé) roviny okna. Limitní hodnoty jsou uvedeny v příloze B ČSN 730580-1. Také veličinu Dw (%) lze měřit. V tabulce 2 jsou uvedeny vypočtené hodnoty činitele denní osvětlenosti Dw (%) svislé roviny v exteriéru v závislosti na úhlu zastínění Z (°). Výpočet byl proveden analyticky integrací pro uvedené tři modely oblohy (minimální, normový a maximální) a pro obvyklou hodnotu činitele jasu terénu i stínících překážek k = 0,1
| Dw (%) při obloze | |||
|---|---|---|---|
| Z | minimální | normové | maximální |
| 0 | 37,9 | 44,6 | 46,9 |
| 10 | 37,2 | 41,2 | 42,5 |
| 20 | 34,8 | 36,9 | 37,4 |
| 30 | 31,1 | 31,9 | 31,9 |
| 40 | 26,6 | 26,5 | 26,4 |
| 50 | 21,7 | 21,4 | 21,1 |
| 60 | 17,1 | 16,7 | 16,6 |
| 70 | 13,3 | 13,1 | 13,0 |
| 80 | 10,9 | 10,8 | 10,8 |
| 90 | 10,0 | 10,0 | 10,0 |
Tabulka 2: Vypočtené hodnoty činitele denní osvětlenosti Dw (%)
Z hodnot uvedených v tabulce opět vyplývá, že velké rozdíly ve výsledku měření této veličiny lze očekávat při volném horizontu a při malém stínění. Je-li úhel zastínění Z = 30°, pak se chyba v měření činitele Dw (%) může pohybovat okolo ΔDw. Od úhlu Z = 40° jsou už možné chyby ΔDw už jen v desetinách procenta.
Provedené výpočty naznačují, že při dodržení tolerancí jasů zatažené oblohy podle ČSN 361100-2 budou výsledky měření zatíženy nejistotou zejména při malém stínění venkovními překážkami. Se zvyšováním hodnoty úhlu zastínění Z (°) přesnost měření narůstá. Měření činitele denní osvětlenosti se v praxi většinou provádí právě v případech, kdy jsou místnosti významně stíněny, protože právě při velkém stínění nejspíše hrozí nesplnění limitů denního osvětlení. Nejistota výsledků měření způsobená změnou jasových poměrů na obloze v rámci tolerancí povolených ČSN 361100-2 je v takových případech řádu desetin až setin procenta činitele denní osvětlenosti.
Z ostatních vlivů na nejistoty měření lze uvést činitele odrazu světla (-) vnitřních povrchů místnosti. Posouzení denního osvětlení místností v novostavbě je obvykle vyžadováno orgány státní správy ke stavebnímu řízení. V době, kdy se připravuje projekt pro stavební řízení, téměř nikdy není známo barevné řešení interiérů. V obytných místnostech dokonce nelze ani barevné řešení předepsat, neboť to je zcela v kompetenci budoucího uživatele bytu. V takových případech ČSN 730580-1 doporučuje použít průměrnou hodnotu činitele denní osvětlenosti ρm resp. hodnoty pro strop 0,7, stěny 0,5 a podlahu 0,3. Ale není vůbec jisté, zda při kontrolním měření bude tyto hodnoty interiér vykazovat. Nejistota způsobená změnou v hodnotě činitelů odrazu se logicky projeví nejvíce v interiérech s velkým vnějším stíněním, kde oblohová složka činitele denní osvětlenosti Ds (%) je potlačena a v interiéru dominuje složka vnitřní odražená Di (%). Výpočet činitele denní osvětlenosti v místech A a B v místnosti podle obrázku číslo 5 byl proveden programem WAL 1.1. Výpočet uvažoval úhel zastínění okna Z = 40° a nulovou oblohovou složku. Vypočtené hodnoty činitele denní osvětlenosti jsou uvedeny v tabulce 3.
| ρm (-) | 0,30 | 0,35 | 0,40 | 0,45 | 0,50 | 0,55 | 0,60 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| D (%) | 0,21 | 0,26 | 0,34 | 0,44 | 0,60 | 0,75 | 0,99 |
Tabulka 3: Vypočtené hodnoty činitele denní osvětlenosti při různých hodnotách ρ (-)
Obdobnou nejistotu při porovnání výsledku výpočtu s měřením představují i další koeficienty. Zejména činitel prostupu světla způsobený neprůsvitnými konstrukcemi okna τk (-). V době výpočtu pro stavební povolení často není známa detailně konstrukce okna resp. podíl neprůsvitných rámů a příčlí a podíl zasklení na skladebné ploše okna. Pravděpodobnou hodnotou dobře popisující většinu typů oken je τk = 0,75. Závisí ale na velikosti okna a na typu jeho konstrukce. Například u plastových oken lze očekávat spíše hodnotu τk = 0,65
Měření činitele denní osvětlenosti je obtížné. Lze ho provádět jen v určité dny v roce, kdy je obloha zcela zatažena mraky. Měření je zatíženo nejistotami, které neopravňují k použití výsledků měření pro podrobnou kontrolu výpočtu nebo pro testování výpočetních postupů. K takovému testování by snad bylo možné použít jen výsledky měření na modelu pod umělou oblohou*). Pro hygienické účely, tj. pro hodnocení zdravotních rizik vyplývajících z nedostatku denního světla, je ale měření činitele denní osvětlenosti dostatečně spolehlivé. Jako podklad pro stavební řízení včetně uvádění stavby do trvalého provozu (kolaudace) se v praxi používají výsledky teoretických výpočtů. Měření se provádí přednostně tam, kde by výpočet byl složitý a pracný (např. při hodnocení stínění vzrostlou zelení) a nebo při řešení stížností na nedostatek světla v již užívaných objektech.
V situaci, kdy kontrola výpočtů měřením není možná resp. je obtížná, vystupuje do popředí potřeba co největší průhlednosti výpočetních postupů. Zejména je nutno uvádět všechny veličiny, které do výpočtu vstupují (činitelé jasu stínících překážek, činitele prostupu a odrazu světla). Při posuzování správnosti výpočtu je též nutné vyžadovat i podrobný popis výpočetního modelu použitého při stanovení jednotlivých složek činitele denní osvětlenosti.
*) Umělá obloha je zařízení, které v naší republice nemáme. Měření pod umělou oblohou lze realizovat v Ústavu stavebníctva slovenskej akademie ved v Bratislavě.
The aim of the diurnal lightning proposal is to rectify rooms' access to sunlight, which is dispersed in the atmosphere, and to rectify the visual comfort of the users of the interior during daylight hours; i.e. the appropriate lightning conditions for visual work carried out in the interior. The specifications of diurnal lightning are formulated in IEC-730580-1 to 4. These specifications are binding because the relevant articles mentioned in the standards are determined as binding laws and decrees 268/2009 on the technical requirements for construction, 258/2000 on Public Health, 410/2005 on hygiene requirements for educational facilities and the education of children, Government Decree 361/2007 on sanitary conditions at work. In situations where controls of calculations of measurements are not possible or too difficult, it is then necessary to maximise the transparency of computational procedures. In particular, it is necessary to include all the variables that enter into the calculation (factors of brightness shading barriers, factors of transmission and reflection of light). When assessing the accuracy of the calculations, it is also necessary to require detailed descriptions of the computational models used in determining the individual components of the diurnal lightning factors.