„Optymalne rozwiązania w zakresie oświetlenia w budynkach są niezwykle ważne dla komfortu i zdrowia przyszłych użytkowników. Celem architektów jest wykorzystanie potencjału światła naturalnego we wnętrzach, na co ogromny wpływ ma przemyślane projektowanie architektoniczno-urbanistyczne. Oświetlenie podkreśla również piękno architektury, ale może jednocześnie pozostać w zgodzie ze środowiskiem naturalnym i nie zanieczyszczać naszych miast.” 

Wstęp

W ostatnich latach podejście do komfortu użytkowników budynków znacznie się rozwinęło. Idea zrównoważonego rozwoju znajduje już swoje odzwierciedlenie we współczesnym projektowaniu budynków. Dzięki temu odkrywa się i testuje co raz nowsze możliwości, które pozytywnie wpływają na nas i przyszłe pokolenia. Bardzo dużą wagę przywiązuje się zagadnieniu oświetlenia w budynkach, zarówno światłem słonecznym jak i sztucznym. Jest to jeden z głównych czynników wpływających na zdrowie człowieka, jego komfort wizualny, samopoczucie oraz produktywność.
Artykuł ma na celu przekrojowe omówienie głównych zagadnień związanych ze światłem w budynku oraz w przestrzeni miejskiej. Poruszane tematy dotyczą m.in. znaczenia oświetlenia dla człowieka, definicji parametrów bezpośrednio i pośrednio związanych z emisją światła przez przegrody oraz znaczenia konstrukcyjnych elementów dla komfortu wizualnego w pomieszczeniach. W tekście zostały również przedstawione dobre praktyki dla uzyskania możliwie wysokich parametrów oświetlenia, które można zastosować już na etapie koncepcyjnym budynku. Zaprezentowano również studium przypadku związane z aranżacją przestrzeni wewnętrznej, wskazując najbardziej korzystne dla komfortu wizualnego rozwiązania. Artykuł porusza także istotny problem zanieczyszczenia światłem i omawia praktyki, dzięki którym możliwa jest minimalizacja negatywnego wpływu oświetlenia zewnętrznego na środowisko.
Poruszane tematy nie wyczerpują wszystkich zagadnień związanych ze światłem i jego znaczeniem dla człowieka oraz jego środowiska. W kolejnych rozdziałach omówiono przekrojowo jedynie najistotniejsze zdaniem autorów problemy oświetlenia oraz jego wpływu na budynek oraz jego otoczenie. Artykuł ma na celu zobrazować, dlaczego warto wdrażać w życie dobre praktyki związane z oświetleniem budynku i otaczającej przestrzeni. Komfort wizualny niezaprzeczalnie ma duże znaczenie dla zdrowia i funkcjonowania człowieka, dlatego warto zadbać o jego wysoką jakość.

Znaczenie oświetlenia naturalnego i sztucznego dla człowieka i jego rytmu pracy

Stawiając na komfort i zdrowie użytkowników budynku warto wziąć pod uwagę naturę człowieka i jego biologiczne potrzeby. Podczas pracy biurowej w standardowych godzinach, samopoczucie człowieka zmienia się wraz porą dnia. Jest także pewien odsetek pracowników wykonujących swoje zadania w trybie zmianowym. Z tych powodów dostosowanie oświetlenia zależnie od pory dnia pełni ważną rolę. Naturalny cykl okołodobowy człowieka związany jest ze zmianami czynników zewnętrznych, między innymi fazą nocną i dzienną. W ciągu doby zdolność człowieka do pracy podlega wahaniom. Właściwy rytm okołodobowy steruje w dużej mierze światło. Podczas projektowania zwraca się uwagę na przyszły komfort wizualny w budynku. Coraz większą popularność zyskuje również zagadnienie projektowania oświetlenia dostosowanego do rytmu biologicznego użytkowników. Dzięki temu, oddziaływanie oświetlenia na organizm człowieka będzie zgodne z jego naturą. Aby to osiągnąć, warto zapewnić możliwość płynnych zmian temperatury barwowej światła i poziomów natężenia oświetlenia zależnie od godziny i indywidulanie do przeznaczenia danego budynku. Dopasowane w ten sposób oświetlenie zapewni dogodne warunki dla wzroku i pozwoli na utrzymanie właściwego stopnia czujności, a co za tym idzie, także wydajności pracownika.

Temperatura barwowa oświetlenia ma znaczący wpływ na efektywną pracę człowieka. Działanie ludzkiego umysłu i organizmu ujawnia zmienną zdolność skupienia w różnych porach dnia. Światło chłodne poprawia koncentrację i gotowość do pracy, natomiast światło o ciepłych barwach sprzyja stanom odprężenia i relaksu. Dostosowanie barwy światła w pomieszczeniach biurowych może pomóc w podniesieniu efektywności pracowników.

Opis konstrukcji okien oraz znaczenia parametrów g i Lt

Najbardziej podstawowymi elementami okna jest montowana w murze ościeżnica i skrzydło, czyli część ruchoma. Stałym elementem okien są uszczelki, z tworzyw sztucznych, instalowane przez producentów. W ramie okna znajduje się szyba, której parametry znacząco wpływają na warunki wewnętrzne. Rodzaj i parametry szyb wpływają m.in. na temperaturę, jasność, hałas i bezpieczeństwo w budynku. Przed stratami ciepła chronią energooszczędne szyby zespolone, czyli co najmniej dwie, trwale połączone tafle szkła. Najczęściej jedna wykonana jest ze szkła typu float, druga ze szkła niskoemisyjnego, odbijającego promieniowanie cieplne do wnętrza pomieszczenia. Częścią szyby zespolonej mogą być także szyby ochronne, które umieszcza się od strony pomieszczenia. Izolacyjność szyb zespolonych wzrasta, jeżeli zastosowane są następujące rozwiązania: szyby mają więcej niż jedną komorę między szkleniami; przestrzeń między szybami wypełniona jest gazem, który ma mniejszą zdolność przewodzenia ciepła niż powietrze (np. argon); w szybach zastosowano szkło, które ma właściwości odbijające promieniowanie cieplne, szkło powlekane lub szkło barwione w masie, pochłaniające promieniowanie cieplne.
Warunki oświetleniowe w budynku są zależne od poniższych współczynników:
– Współczynnik przenikania światła „Lt” (light transmission) określa stosunek ilości światła słonecznego docierającego do szyby zespolonej, do ilości światła, która zostaje przez nią przepuszczona. Należy pamiętać, że im wyższa jest wartość tego parametru, tym korzystniejsza sytuacja oświetleniowa pomieszczenia (zaleca się projektować okna/elewacje z przeszkleniem o współczynniku Lt > 5 5%). Wartość w spółczynnika wzrasta w przypadku wykorzystania okna z wielokomorowymi pakietami szyb zespolonych z powłokami niskoemisyjnymi. Dobieranie okien, charakteryzujących się wysoką wartością Lt, jest szczególnie uzasadnione, kiedy powierzchnia przeszklenia fasady jest niewielka, natomiast stanowiska pracy są usytuowane w głębi pomieszczenia.

Współczynnik przepuszczalności energii promieniowania słonecznego „g” (Solar factor) wyraża stosunek energii przepuszczanej przez szybę do całkowitej padającej na nią energii słonecznej. Wartość współczynnika określa ilość energii promieniowania słonecznego, przepuszczaną do wnętrza. Współczynnik przenikalności energii ustala się indywidualnie dla szyb oraz dla okien. W przypadku jednokomorowej szyby zespolonej, wartość współczynnika przepuszczalności energii można wyliczyć, poprzez zsumowanie energii przepuszczanej bezpośrednio i energii reemitowanej do wnętrza pomieszczenia, zaabsorbowanej przez szybę.

Normy i regulacje dotyczące oświetlenia

Wytyczne dotyczące oświetlenia są w Polsce opisane w mało szczegółowy sposób. Obowiązkowe jest projektowanie, postępowanie zgodne z zapisami Ustawy o normalizacji Zgodnie z art. 207 § 2 z § 26 powołującej się na normę PN EN 12 464-1 „Światło i oświetlenie – Oświetlenie miejsc pracy”. Do podstawowych parametrów określających otoczenie świetlne w tej normie zalicza się natężenie oświetlenia, rozkład luminacji, olśnienie, kierunkowość światła, barwę światła, migotanie. Podczas dobierania okien należy uwzględnić wymagania podstawowe dotyczące: bezpieczeństwa konstrukcji, bezpieczeństwa pożarowego, bezpieczeństwa użytkowania, ochrony przed hałasem i drganiami, odpowiednich warunków higienicznych i zdrowotnych oraz ochrony środowiska, oszczędności energii i odpowiedniej izolacyjności cieplnej przegród. Poniżej znajdują się normy odnoszące się do oświetlenia sztucznego.

NORMY TECHNICZNE DOTYCZĄCE OŚWIETLENIA PODSTAWOWEGO:

• PN-EN 12464 – 1:2012 Światło i oświetlenie. Oświetlenie miejsc pracy. Część 1: Miejsca pracy we wnętrzach. – to jest podstawowa norma, którą należy brać pod uwagę podczas projektowania oświetlenia sztucznego,

• PN-EN 12464 – 2:2014-05. Światło i oświetlenie – Oświetlenie miejsc pracy – Część 2: Miejsca pracy na zewnątrz,

CEN/TR 13201-1:2016-02 Oświetlenie dróg – Część 1: Wytyczne dotyczące wyboru klas oświetlenia,
• PN-EN 13201:2016-03 Oświetlenie dróg –
– Część 2: Wymagania eksploatacyjne,
– Część 3: Obliczenia parametrów oświetleniowych,
– Część 4: Metody pomiaru efektywności oświetlenia,
– Część 5: Wskaźniki efektywności energetycznej.

NORMY TECHNICZNE DOTYCZĄCE OŚWIETLENIA AWARYJNEGO:

• PN-EN 50172:2005. Systemy awaryjnego oświetlenia ewakuacyjnego

• PN-EN 1838:2013-11. Zastosowanie oświetlenia. Oświetlenie awaryjne

• PN-EN 60598-2-22:2015-01. Oprawy oświetleniowe. Część 2-22: Wymagania szczegółowe. Oprawy oświetleniowe do oświetlenia awaryjnego

• PN-G 02600 : 1996. Ochrona pracy górnictwie. Oświetlenie podziemnych wyrobisk zakładów górniczych PN-G 02601 : 1999. Ochrona pracy górnictwie. Oświetlenie elektryczne powierzchni podziemnych zakładów górniczych. Podstawowe wymagania i badania.

W odniesieniu do wymagań opisujących światło naturalne należy powołać się na zapis zawarty w Prawie Budowalnym, który informuje, że pomieszczenie przeznaczone na pobyt ludzi powinno mieć zapewnione oświetlenie dzienne. W pomieszczeniu przeznaczonym na pobyt ludzi stosunek powierzchni okien, liczonej w świetle ościeżnic, do powierzchni podłogi powinien wynosić minimum 1:8, natomiast w innym pomieszczeniu, w którym oświetlenie dzienne jest wymagane ze względów na przeznaczenie – co najmniej 1:12.
Sytuacja dotycząca wytycznych projektowych jest bardziej uszczegółowiona w innych krajach. Przykładowo w Wielkiej Brytanii obowiązuje „Lighting Guide 10: Day-lighting” wydane przez CIBSE. Wytyczne określające światło dzienne określa również norma stworzona przez British Standard Institution – PREN 17037. We współpracy z tą instytucją tworzona jest również najnowsza norma europejska – BS EN 17037.

Dobre praktyki na etapie koncepcji – orientacja, umiejscowienie
i wielkość okien

W celu optymalnego wykorzystania światła dziennego, istotna jest właściwa lokalizacja okien na planie budynku oraz wielkość przeszkleń. Umiejscowienie największych przeszkleń od strony południowej pozwala na pełniejsze wykorzystanie światła słonecznego. Natomiast stosowanie mniejszych okien lub rezygnacja z nich od strony północnej pozytywnie przyczynia się do zmniejszenia strat energetycznych. Takie rozwiązanie może okazać się niemożliwe do uwzględnienia w niektórych projektach. W przypadku obiektów biurowych, należy zagwarantować pracownikom dostęp do światła naturalnego, warto również zwiększać komfort użytkowników w takim budynku. W trakcie pracy przy komputerze dobrze mieć możliwość oderwania wzroku od ekranu i spojrzenia w odległy punkt za oknem. Dobrą praktyką, zgodnie z brytyjskimi standardami, jest zapewnienie widoku na niebo dla wszystkich stanowisk pracy stacjonarnej. W celu określenia pozycji z ograniczonym widokiem („no sky line”), należy sprawdzić, czy niebo jest widoczne z wysokości biurka – ok. 85 cm nad podłogą. Najtrudniejsze może okazać się właściwe doświetlenie stanowisk najbardziej oddalonych od okien oraz umieszczonych na najniższych kondygnacjach, gdzie dociera zwykle mniejsza ilość światła słonecznego. Jeżeli wysokie elementy zewnętrzne przysłaniają widok dla któregokolwiek stanowiska pracy, warto rozważyć zwiększenie wysokości okien, innym podejściem może być zastosowanie dodatkowych rozwiązań np. półek świetlnych lub solarnych. W niektórych przypadkach najlepsza może okazać się zmiana aranżacji.

Systemy zacienienia i ich wpływ na warunki komfortu w pomieszczeniach

Systemy zacienienia są powszechnie stosowane jako element elewacji budynkowej do kontrolowania ilości bezpośredniego promieniowania słonecznego docierającego do pomieszczeń. Ich właściwe wykorzystanie pozwala również na zwiększenie jakości oświetlenia dziennego i komfortu wizualnego na stanowisku pracy, zwłaszcza w obiektach biurowych i użyteczności publicznej, w których jakość środowiska wewnętrznego ma znaczący wpływ na efektywność pracy. Systemy zacieniające powinny zostać dostosowane do funkcjonowania w zmiennych warunkach środowiska zewnętrznego.
Przy wyborze urządzeń zacieniających należy wziąć pod uwagę nie tylko orientację budynku, ale również możliwą do zastosowania lokalizację i pozycje pracy systemów zacieniających. Systemy zacieniające dzielimy na zewnętrzne, wewnętrzne i zintegrowane z fasadą obiektu. Żaluzje i lamele stanowią typowe przykłady zewnętrznych urządzeń zacieniających, jednak do tej grupy należy też zaliczyć rozwiązania architektoniczne takie jak podcienia oraz daszki i markizy. Stanowią ograniczenie dla światła słonecznego docierającego do powierzchni przeszklonej, jednak są wrażliwe na czynniki atmosferyczne i wpływają na estetykę elewacji. Rolety i żaluzje wewnętrzne zlokalizowane są po stronie pomieszczenia, pomimo łatwiejszej obsługi i większej trwałości stanowią mniejszy opór dla promieniowania cieplnego. Rozwiązaniem pośrednim są urządzenia zacieniające wbudowane w konstrukcję fasady, których właściwości stanowią połączenie ww. typów, jednak nie w każdym budynku możliwe są do zastosowania. Wybrane urządzenia zacieniające (np. lamele) pozwalają na zmianę swojego ustawienia, tak aby lepiej dopasować się do aktualnej pozycji słońca na nieboskłonie (w okresie letnim jest ono wysoko, w zimowym nisko).

Warto wspomnieć o systemach zacienienia w kontekście ograniczenia niekorzystnego zjawiska jakim jest olśnienie. Kiedy promieniowanie słoneczne docierające do pomieszczeń jest zbyt silne, może powodować dyskomfort osób na stanowisku pracy, rozpraszać i dekoncentrować. Takie przypadki nie powinny mieć miejsca i dzięki wykorzystaniu urządzeń zacieniających możemy je minimalizować. Wykorzystanie rolet, regulowanych żaluzji bądź bardziej zaawansowanych systemów jest obecnie konieczne, oprócz ograniczenia natężenia oświetlenia pozwalają one również na ograniczenie przegrzewania się pomieszczeń w okresie letnim. Wpływa to na znaczną redukcję kosztów związanych z chłodzeniem budynku, co jest szczególnie istotne dla zarządców budynku.

Sterowanie pracą oświetlenia sztucznego i systemami zacienienia

Istotnym elementem związanym z komfortem wizualnym w budynku jest możliwość dostosowania natężenia oświetlenia do aktywności jego użytkowników. W większości obiektów jest to ograniczone do strefowania oświetlenia, które zapewnia jedynie podstawowy poziom dostosowania warunków oświetlenia w pomieszczeniu. W nowoczesnych budynkach coraz częściej stosuje się oprawy, dzięki którym możliwe jest ustawienie natężenia oświetlenia (np. poprzez tryby pracy oprawy lub płynne ściemnianie bądź rozjaśnianie za pomocą odpowiednich czujników) odpowiedniego do wykonywanej pracy i aktualnych warunków światła dziennego. Kolejnym elementem, który zapewnia większą kontrolę nad oświetleniem w budynku, jest zastosowanie czujników ruchu/obecności. Jest to szczególnie istotne w strefie pracy, ale też jest często stosowane rozwiązanie w innych obszarach (w przestrzeni komunikacyjnej, sanitarnej a także w części garażowej) – czujniki uruchamiają oprawę, jeżeli zarejestrują ruch/obecność w danej strefie, co zapewnia użycie światła sztucznego jedynie w momencie, kiedy będzie niezbędne i tym samym generuje oszczędności energii. Z tych samych powodów, dobrze jest pamiętać o walorach stosowania czujników światła dziennego i regulacji natężenia oświetlenia sztucznego w zależności od ilości światła naturalnego z zewnątrz.
Praca systemów zacienienia zazwyczaj jest regulowana manualnie przez użytkowników budynku w zależności od potrzeb. Obecnie jednak coraz częściej stosuje się półautomatyczne lub automatyczne sterowanie systemami zacienienia. Polega to na wykorzystaniu czujników natęże­nia oświetlenia w obszarze elewacji budynku, które po odebraniu odpowiednio mocnego światła wysyłają sygnał opuszczenia rolet bądź zamknięcia żaluzji. Rozwiązaniem pośrednim jest zastosowanie sterowania półautomatyczne­go, które pozwala użytkownikowi na ingerencję niezależnie od wskazań czujników.

Idąc krok dalej, warto zintegrować systemy oświetle­nia sztucznego oraz zacienienia budynku z systemem BMS (ang. Building Management System), który zapewnia dodatkowy monitoring oraz umożliwia pełną kontrolę nad warunkami oświetlenia panującymi wewnątrz pomiesz­czeń. Takie rozwiązanie pozwala na zdalne ustalenie natężenia oświetlenia w pomieszczeniach budynku oraz umożliwia zarządzanie warunkami oświetlenia w zależ­ności od sytuacji (np. poprzez wyłączenie oświetlenia nieużywanej części budynku w okresie urlopu bądź święta). Przyjmuje się, że tak kompleksowe rozwiązanie (w zależno­ści od systemu i możliwości jego sterowania) pozwala na oszczędność nawet do 70% kosztów energii elektrycznej związanej z oświetleniem, co znacznie poprawia bilans energetyczny budynku.

Podstawowe parametry opraw oświetleniowych

Oprawami oświetleniowymi nazywamy urządzenia elektryczne, których zadaniem jest emisja światła sztucznego. Oprawy zbudowane są ze źródła światła umieszczonego w konstrukcji osłonowej. Osłona stanowi funkcję ochronną, musi umożliwiać również montaż oprawy i łatwy dostęp do źródła, a także we właściwy sposób kierunkować strumień świetlny. W osłonie ukryty jest również niezbędny osprzęt potrzebny do funkcjonowania oprawy. Źródła światła mogą składać się z jednej bądź wielu lamp zamontowanych w oprawie w sposób trwały, bądź z możliwością wymiany. Źródła światła odpowiadają za dostarczanie strumienia świetlnego o wymaganych parametrach użytkowych na oświetlaną powierzchnię.

Parametrem opisującym całkowitą moc światła emitowanego przez źródło jest strumień świetlny wyrażany w lumenach. Im wyższy strumień, tym oko ludzkie odbiera światło jako jaśniejsze. Innym istotnym parametrem jest wskaźnik oddawania barw Ra. Określa on w skali od 0 do 100 jak dobrze postrzegane są barwy oświetlonych przedmiotów – im wyższa wartość, tym kolor jest bliższy naturalnemu. Najbardziej charakterystyczną wartością źródła jest jego skuteczność świetlna (lumen/Wat). Wielkość ta określa stosunek strumienia świetlnego emitowanego przez źródło do pobieranej przez nie energii elektrycznej. Parametr ten jest wykorzystywany m.in. do porównywania źródeł światła, bądź określenia możliwości zastąpienia opraw (w przypadku modernizacji instalacji oświetlenia). Przyjmuje się, że dla diod LED wartość ta wynosi nawet 70-120 lm/W, kiedy zwykła świetlówka ma skuteczność świetlną jedynie 45-104 lm/W. Istotnym para­metrem dla pracy biurowej jest również UGR (Unified Glare Rating), który jest wskaźnikiem ochrony przed olśnieniem.

Praca opraw może być kontrolowana za pomocą prze­łączników i paneli ściennych, ale rozwiązaniem zyskującym na popularności jest sterowanie w sposób automatyczny. Dla opraw wewnętrznych wykorzystuje się do tego celu m.in. czujniki obecności działające na podczerwień, które odbierają promieniowanie cieplne ruchomych obiektów. Inną metodą jest cyfrowy system sterowania opraw oświetleniowych DALI, który poza możliwością zaprogramowania tzw. stref oświetleniowych pozwala również na regulację pracy źródła światła (poprzez ściemnianie bądź rozjaśnianie, w zależności od potrzeb). Dla opraw zewnętrznych sterowa­nie możliwe jest przy wykorzystaniu czujników zmierzchu, co ma znaczenie szczególnie dla reklam budynkowych, umożliwiając ich wyłączenie w godzinach nocnych.

Symulacja światła naturalnego i skrócony opis parametrów DF, DI, sDA, ASE

Obecnie technologia pozwala na komputerowe wspomaganie projektowania w dziedzinie oświetlenia. Na rynku dostępnych jest szereg narzędzi umożliwiających wykonanie symulacji na każdym etapie projektowania. Celem jest uzyskanie wizualizacji prawdopodobnego efektu oświetleniowego we wnętrzach budynku o możliwie dużym stopniu odwzorowania (szczegółów). Oprócz efektu wizualnego, sprawdza się również, czy intensywność oświetlenia będzie wystarczająca, a zarazem niezbyt intensywna. Światło naturalne w przyszłych wnętrzach budynku może być weryfikowane przy wykorzystaniu kilku różnych parametrów. Wspólnym elementem wejściowym każdej metody jest wprowadzenie modelu budynku i aranżacji powierzchni wewnętrznej do odpowiedniego oprogramowania. Zawsze uwzględnia się konkretną lokalizację (szerokość geograficzną) i usytuowanie budynku względem stron świata. Światło naturalne charakteryzuje się znaczną dynamiką zmian natężenia promieniowania słonecznego dlatego dobrą praktyką jest branie pod uwagę precyzyjnych danych według typowych lat meteorologicznych opracowanych dla konkretnej stacji pomiarowej. Nie każde narzędzie do symulacji oświetlenia umożliwia jednak wprowadzanie informacji w wysokim stopniu szczegółowości oraz sprawdzenia każdego z parametrów oświetlenia. Tym samym rzetelność wyników symulacji zależy w dużej mierze od zastosowanego oprogramowania.
Dotychczas jednym z najpowszechniej stosowanych metod przez projektantów jest obliczanie współczynnika światła dziennego DF (Daylight Factor). Parametr ten przedstawia procentowy stosunek występujących jednocześnie wartości natężenia oświetlenia wewnątrz budynku do wartości natężenia oświetlenia na zewnątrz budynku w płaszczyźnie poziomej. Wyróżnia się trzy wskaźniki: minimalny współczynnik światła dziennego (Dmin) – najniższa wartość współczynnika DF w danym pomieszczeniu z wyłączeniem strefy obwodowej wokół ścian wewnętrznych; średni współczynnik światła dziennego (Dav) – uśredniona wartość współczynnika DF w danym pomieszczeniu; współczynnik równomierności (Dav/Dmin) – stosunek minimalnego i średniego współczynnika DF w danym pomieszczeniu. Zazwyczaj głębsze pomieszczenia mają niższy współczynnik równomierności, ponieważ natężenie światła skupione jest w pobliżu okna. Niska wartość Dav/Dmin podczas symulacji pomaga zdefiniować przypadki pomieszczeń gdzie oświetlenie jest wyjątkowo nierównomierne. Międzynarodowa Komisja Oświetleniowa CIE (International Commission on Illumination) rekomenduje określone poziomy DF, które odzwierciedlają odpowiednio doświetlone wnętrza. Sugerowane wartości są zależne od kilku czynników, m.in. funkcji pomieszczenia czy odległości od okien. Warto wspomnieć, że analizy wykorzysujące ten parametr są wymagane m.in. przez popularny system certyfikacji wielokryterialnej budynków BREEAM. Przestrzeń przeznaczona na stały pobyt ludzi musi charakteryzować się odpowiednio wysoką wartością średniego i minimalnego współczynnika światła dziennego, w zależności od współrzędnych geograficznych budynku.
Rysunek 6 przedstawia symulację wykonaną dla jednej z kondygnacji projektowanego budynku biurowego, z pominięciem części komunikacyjnych i technicznych. Dostęp światła naturalnego do wnętrz został przeanalizowany poprzez obliczenia współczynnika światła dziennego DF (Daylight Factor). Ilustracja pokazuje uzyskane wyniki za pomocą izolinii, które łączą punkty graniczne dla ustalonych wartości liczbowych tego parametru. Dla uproszczenia wizualnego odczytu, każdy kolor odpowiada pewnemu przedziałowi wartości. Wraz ze wzrostem odległości od fasady, poziom współczynnika światła dziennego jest niższy. Ta tendencja jest analogiczna dla typowych pięter najczęściej spotykanych budynków. Odstępstwo od reguły może wystąpić w pewnym stopniu w obiektach, w których wykorzystano okna dachowe, świetliki tunelowe bądź wewnętrzne atria.

Kolejną z najpowszechniej stosowanych metod jest przeprowadzenie symulacji natężenia oświetlenia (Day-light Illuminance). Jest to gęstość strumienia świetlnego padającego na analizowaną płaszczyznę, wyrażona w luksach. Analogicznie do parametru Daylight Factor, najwyższe natężenie oświetlenia naturalnego we wnętrzach występuje zawsze w pasie przyokiennym. W przypadku pokrycia ścian działowych materiałami wysoce refleksyjnymi, natężenie wzdłuż przegród może być nieznacznie wyższe w stosunku do wnętrza pomieszczenia. Jeden z popularnych systemów zielonych certyfikacji budynków LEED dopuszcza wykorzystanie symulacji natężenia. Za prawidłowy wynik uznaje się natężenie pomiędzy 300-3000 luksów zarówno w porze porannej jak i popołudniowej.
Rysunek 7 przedstawia symulację prawdopodobnego natężenia około godziny 16:00 dla przykładowego pomieszczenia usytuowanego przy elewacji zachodniej. Wyniki pokazano za pomocą siatki punktów pomiarowych oraz izolinii, które łączą punkty graniczne dla ustalonych wartości liczbowych natężenia oświetlenia. Tutaj również każdy kolor odpowiada pewnemu przedziałowi wartości. Opierając się wyłącznie na świetle naturalnym, najniższe natężenie w analizowanym pokoju to 600 luksów, co przewyższa polskie standardy dla pracy przy komputerze. W części pomieszczenia, w której będzie zlokalizowane stanowisko pracy prawdopodobne natężenie to 1 000 – 2 500 luksów. Usytuowanie pomieszczenia względem stron świata i obliczenia przeprowadzone dla godzin popołudniowych uzasadniają ten wysoki wynik. Umieszczenie stanowisk pracy bezpośrednio przy oknie spowoduje uciążliwy efekt olśnienia, gdyż wartości w tej strefie pomieszczenia dochodzą niemal do 4000 luksów.

Chcąc świadomie zapewnić jak najwyższy komfort wizualny w budynkach w zakresie światła naturalnego można skorzystać z bardziej szczegółowych metod zaproponowanych przez amerykańską organizację Illuminating Engineering Society of North America (IESNA). Zalicza się do nich parametr Spatial Daylight Autonomy (SDA), który pozwala na bardziej indywidualne podejście do budynku, każdej jego strefy i godzin operacyjnych. Jest to wskaźnik określający procentową ilość czasu w skali roku, w którym dana strefa pomieszczenia jest użytkowana i jednocześnie jest spełniony odpowiednio wysoki poziom natężenia oświetlenia naturalnego. Do określenia ilości czasu analizuje się wartości natężenia w częstotliwości godzinnej. Dzięki temu wskaźnik sDA pozwala na wyjątkowo precyzyjną symulację. Według rekomendacji IESNA poprzez odpowiednio wysoki poziom należy rozumieć natężenie minimum 300 lx wykazane przez co najmniej 50% czasu operacyjnego danej przestrzeni wewnętrznej (SDA300lx/50%). Wykonanie analizy przy użyciu tego parametru jest wymagane przez popularne systemy ekologicznych certyfikacji LEED v4 i WELL, gdzie należy wykazać wartość SDA300lx/50% dla minimum 55% powierzchni budynku przeznaczonej na stały pobyt.

Powyżej omówione wskaźniki są wykorzystywana przede wszystkim do weryfikacji czy światło naturalne będzie dostępne na wystarczająco wysokim poziomie. Warto podkreślić, że w ten sam sposób można zdefiniować strefy przestrzeni wewnętrznej gdzie docierające promieniowanie słoneczne jest zbyt intensywne. To zjawisko jest niepożądane ponieważ powoduje nadmierną insolację i nagrzewanie pomieszczeń. Oprócz stosowania metod zacieniania wymie¬nionych w poprzednich rozdziałach, wskazane jest aby uprzednio rozpoznać aranżacyjne możliwości ogranicze¬nia wystąpienia tego problemu. Do zdefiniowania we wnętrzu stref narażonych na nadmiar bezpośredniego promieniowania słonecznego można wykorzystać parametr Annual Sun Exposure (ASE), również określony przez organizację Illuminating Engineering Society North America (IESNA). Podobnie jak parametr SDA, pozwala na indywidualne podejście do każdego budynku i jego wewnętrznych przestrzeni. Jest to wskaźnik określający ilość godzin w ciągu roku, kiedy dana strefa pomieszczenia jest użytkowana i jednocześnie przekroczony jest w niej pewien poziom natężenia oświetlenia naturalnego. Przyjęte przez IESNA maksymalne natężenie niepowodujące utrudnień to 1000 lx i tę wartość można przekroczyć tylko podczas 250 godzin w ciągu roku (ASE1000/250). Te zasady zostały wykorzystane przez systemy certyfikacji LEED v4 i WELL, gdzie przekroczenie powyższej wartości jest dopuszczalne wyłącznie dla 10% powierzchni przeznaczonej na stały pobyt ludzi.
Dzięki wykorzystaniu parametrów oświetlenia w symulacjach komputerowych, projektowanie budynków i ich wnętrz jest jeszcze bardziej efektywne. Wizualizacje graficzne ułatwiają identyfikację obszarów o niekorzystnie niskim bądź niekorzystnie wysokim natężeniu oświetlenia. Pozwala to na wprowadzanie stosownych optymalizacji na każdym etapie projektowym. Jest to niekiedy dodatkowym wyzwaniem dla projektantów, zaś sama weryfikacja niektórych wskaźników wymaga skomplikowanego modelowania dynamicznego. Tutaj z pomocą przychodzą specjaliści z zakresu wspomagania projektowania, z których usług projektanci i inwestorzy co raz częściej korzystają.

Aranżacje – dobre praktyki w kontekście światła naturalnego

Pomieszczenia zlokalizowane w trzonie budynku, bez bezpośredniego dostępu do okna są to zazwyczaj przestrzenie używane nieregularnie. Ta zasada jest z reguły respektowana w większości rodzajów obiektów. W przypadku biurowców, głębsze strefy kondygnacji często rezerwuje się dla pomieszczeń socjalnych i porządkowych. Żeby efektywnie wykorzystać całą powierzchnię najmu często umieszczane tam są również sale konferencyjne lub pomieszczenia do pracy skupionej. Doświetlenie takiego pomieszczenia światłem naturalnym jest utrudnione, a niekiedy niewykonalne. Można to w pewnym stopniu umożliwić poprzez stosowanie przeziernych przegród w podziale przestrzeni wewnętrznej. W niektórych sytuacjach udaje się wykazać odpowiednio wysokie parametry światła dziennego w pomieszczeniach bez bezpośredniego dostępu do okna, jednak zależy to od szeregu czynników. Prawdopodobieństwo jest większe gdy: nie występują obiekty zewnętrzne, które zacieniają analizowaną część budynku, jest umiarkowana głębokość pomieszczeń, występuje wysoki stosunek okien do ścian zewnętrznych (bądź fasada całkowicie przeszklona), szkło elewacyjne charakteryzuje się wysokim wskaźnikiem przepuszczalności światła, materiały wykończeniowe podłóg, ścian i sufitu są wysoce refleksyjne, zastosowano szklane przegrody wewnętrzne o wysokim stopniu przezierności; pomieszczenie jest relatywnie wysokie i nie występuje wiele stałych elementów wewnętrznych przesłaniających częściowo analizowaną przestrzeń (np. gęsty rozstaw słupów czy konstrukcja z nośnymi ścianami wewnętrznymi). Niekiedy wnętrza są dodatkowo doświetlone półkami. Rysunek 8 przestawia symulację przy wykorzystaniu współczynnika światła dziennego (Daylight Factor) dla przykładowego zespołu pomieszczeń. Przedmiotem rozważań są przede wszystkim pokoje z pośrednim dostępem do okna. Dzięki korzystnym warunkom opisanym powyżej, przestrzeń ta wykazuje średni współczynnik Dav oraz minimalny współczynnik Dmin na satysfakcjonującym poziomie.

Dobrą praktyką jest unikanie gęstego podziału przestrzeni wewnętrznej w strefach przyokiennych. Skutkiem takich zabiegów jest nie tylko mniejsza ilość światła naturalnego w pojedynczym pomieszczeniu, ale również mniejsze szanse na pośrednie doświetlenie pomieszczeń usytuowanych w głębszych strefach kondygnacji. Z tych względów korzystniej wypadają otwarte przestrzenie (open space), czyli popularny nadal model aranżacji powierzchni biurowej. Rysunek 9 przestawia symulację przy wykorzystaniu współczynnika światła dziennego (Daylight Factor) dla przykładowych pomieszczeń usytuowanych przy elewacji południowej. Pojedynczy pokój jest wąski i zarazem głęboki oraz występuje w nim masywny słup konstrukcyjny blokujący dostęp światła do części pomieszczenia.

Rysunek 10 przedstawia tę samą przestrzeń, jednak bez podziału na mniejsze pokoje. Obliczenia wykazują, że w pojedynczym pokoju ze słupem parametry światła dziennego Dav i Dmin są niższe o niemal 25% w stosunku do wyników osiągniętych na tej samej powierzchni, ale bez przegród.

Gęsty podział przestrzeni może natomiast okazać się korzystny jeśli jest uzasadnione, że dana strefa wnętrza narażona jest na nadmierną insolację i nagrzewanie. Innymi słowy, aranżację każdej kondygnacji w budynku powinno się analizować indywidualnie dobierać optymalne dla niej rozwiązania sprzyjające naturalnemu oświetleniu.

Zanieczyszczenie światłem

Zjawisko zwane zanieczyszczeniem świetlnym (ang. light pollution) jest problemem na globalna skalę. Przyczyną tego negatywnego zjawiska jest nadmierne wykorzystanie oświetlenia sztucznego, pojawiającego się w porze naturalnej ciemności (od zmierzchu do świtu). Często możemy spotkać się z przypadkami, kiedy jest ono nieodpowiednio skierowane i wydostaje się poza oświetlany obszar, moc światła (jasność) bywa często silniejsza niż jest to niezbędne lub oświetlenie działa przez cały czas, pomimo iż jest potrzebne tylko w określonych momentach. Okazuje się, że nocne oświetlenie może szkodzić podobnie jak zanieczyszczone powietrze czy hałas.

Najczęściej odwołanie do tego tematu pojawia się w kontekście obserwacji astronomicznych. Kolejnym aspektem związanym z niewłaściwym oświetleniem są kwestie bezpieczeństwa. Źle ukierunkowane oprawy mogą wywoływać zjawisko olśnienia przeszkadzające kierowcom pojazdów czy samolotów. Podobnie na sposób postrzegania szczegółów ma wpływ równomierność oświetlenia. Zbyt duże kontrasty pomiędzy bardzo jasnymi i bardzo ciemnymi obszarami powodują dłuższą adaptację człowieka do określonych warunków, co może być przyczyną wypadków. Nadmiar oświetlenia oraz niewłaściwe jego ukierunkowanie to też zupełnie niepotrzebne straty energii elektrycznej, które wywołują negatywne skutki ekonomiczno-ekologiczne, ponieważ energię zasilającą oprawy należy wytworzyć (w Polsce przy udziale przede wszystkim węgla) i oczywiście za nią zapłacić. Zanieczyszczenie światłem w znacznym stopniu wpływa także na zdrowie i środowisko, w tym na człowieka, zaburzając jego zegar biologiczny i pociągając inne konsekwencje.
Chcąc redukować problem warto go nagłaśniać i rozpowszechniać wiedzę na jego temat. W aspekcie projektowym należy się kierować następującymi zasadami: stosować minimalny, spełniający wymagania normy strumień świetlny, odpowiednio dobierać oprawy pod kątem typu (np. oprawa drogowa z płaskim kloszem zamiast z wypukłym) i źródła światła oraz odpowiednio kierunkować zapewniając jak najmniejszy wskaźnik ULOR (ang. upward light output ratio) czyli udział strumienia świetlnego wysyłanego w górną półprzestrzeń (wg norm w zależności od strefy jest to max. 25%) oraz unikać podświetlania obiektów z dołu. Układy oświetleniowe powinno się też projektować zapewniając im odpowiednią funkcjonalność związaną ze sterowaniem, czyli możliwość ściemniania, wyłączania czasowego i instalowania czujników ruchu bądź obecności. Wtedy można w łatwy sposób zoptymalizować i dostosować działanie oświetlenia do określonych potrzeb.

Reklamy budynkowe

Osobny element zanieczyszczenia światłem stanowią reklamy umieszczane na elewacjach budynku oraz na bilbordach czy totemach. W dzisiejszych czasach reklamy na stałe wpisały się w krajobraz, co szczególnie widoczne jest w większych miastach. Pomijając kwestie przedstawiania nachalnych treści oraz często wątpliwą estetykę wykonania, reklamy w znacznym stopniu przyczyniają się do zanieczyszczenia światłem przestrzeni zurbanizowanych. Galerie handlowe, hotele, restauracje to przykłady niektórych obiektów, które za pomocą agresywnego oświetlenia reklamowego starają się przyciągnąć do siebie klientów. Efekt często bywa przytłaczający, szczególnie kiedy budynki są intensywnie oświetlone w późnych godzinach nocnych, kiedy w rzeczywistości większość z nich jest nieczynna.

Budynki często są oświetlane w zbyt jaskrawy sposób w okresie nocnym, co ma szczególnie negatywny wpływ m.in. dla kierowców. Reklama może spowodować odwrócenie uwagi od drogi, bądź nawet spowodować olśnienie (poprzez nagłe działanie zbyt silnego natężenia światła np. po wyjeździe z tunelu). Na zanieczyszczenie światłem ma wpływ również niewłaściwa kierunkowość oświetlenia reklam, które często jest skierowane poza obszarem samej reklamy. Problem został dostrzeżony i podjęto kroki ograniczające i regulujące problem reklam poprzez tzw. Ustawę krajobrazową. Jednak zapisy Ustawy odnoszą się w większości do ilości, wielkości i rozmieszczenia reklam, pomijając kwestie nadmiernego oświetlenia.
W celu ograniczenia tego zjawiska należy stosować rozwiązania redukujące luminancję reklam w okresie wieczornymi, a nawet wyłącza je w nocy. Innym rozwiązaniem jest uwzględnienie reklam w systemie BMS budynku i sterowa nie pracą ich oświetlenia z wykorzystaniem czujników zmierzchu. W okresie nocnym liczba osób przebywających na zewnątrz jest znacznie mniejsza niż w czasie dnia, dlatego właściciele bilbordów oraz centrów handlowych nie powinni się martwić spadkiem ich oglądalności wynikającym z nocnej redukcji oświetlenia (lub jego wyłączenia). Być może lepiej do wyobraźni zarządców przestrzenią reklamową przemówi argument, że w ten sposób możliwe jest również osiągnięcie oszczędności na kosztach energii elektrycznej.

Podsumowanie

Podjęte rozważania pokazują w ogólny sposób, że zagadnienie oświetlenia wpływa znacząco na komfort i zdrowie użytkowników budynków, a także na środowisko. Warto myśleć o zintegrowanym projektowaniu oświetlenia sztucznego, mając na uwadze optymalizację dostępu do światła słonecznego. Wykorzystywanie symulacji komputerowych w tym procesie staje się cennym narzędziem pozwalającym dostosować rozwiązania do wymagających oczekiwań odbiorców i według najlepszych praktyk.
Ciekawym zagadnieniem, aczkolwiek jeszcze mniej popularnym, jest dostosowanie oświetlenia do naturalnego rytmu cyrkadialnego człowieka. Współczesne projekty stawiają również na efektywną integrację systemów zacienienia z systemami sterowania oświetleniem, pamiętając o bilansie energetycznym. Oprócz elementów wpływających na użytkownika, warto pamiętać także o problemie zanieczyszczenia światłem i negatywnym wpływie sztucznego oświetlenia w przestrzeni miejskiej.
W artykule przedstawiono szereg dobrych praktyk i specjalistycznych rozwiązań, które znacząco mogą poprawić komfort wizualny ludzi przebywających w budynkach i przyczynić się do lepszego wykorzystania światła w mieście. Warto zatem zadbać o to, aby przedstawiona wiedza stawała się coraz bardziej powszechna, zwłaszcza w środowisku architektów, inwestorów, zarządców budynków i innych osób uczestniczących w procesie budowlanym. Korzyści płynące ze stosowania przedstawionych rozwiązań niewątpliwie prze¬mawiają za ich stosowaniem.

 

Zespół do spraw Zrównoważonego Rozwoju SARP:
Artur Borowczyński, Inżynier ds. modelowania dynamicznego
Edyta Chromiec, LEED AP BD+C, Assessor BREEAM International NC
Karolina Rosińska, Konsultant BREEAM

Artykuł pochodzi z raportu GCNP „SDG 11 – Zrównoważone Miasta – 2018”