Дневное (естественное) освещение и теплоизоляция высотных зданий в летних условиях
Солнцезащита является существенным фактором, который оказывает влияние
на термический комфорт, определяя тем самым температуру воздуха и поверхностей
(оперативная температура) в помещении, а также на прямую инсоляцию человеческого
организма.
Чем выше освещенность в помещении, тем легче решаются зрительные проблемы
на рабочем месте. Согласно работам Х.Ланге (H.Lange), наибольшее восприятие
пользователя достигается при значениях освещенности, лежащих в пределах
от 2000 лк до 4000 лк. Минимальные значения для номинальной освещенности,
содержащиеся в DIN 5035, не следует путать с целевыми значениями, особенно
для естественного освещения.
Последние достижения производственной медицины свидетельствуют о том,
что для обеспечения необходимых биологических факторов человека необходимо
значения освещенности свыше 1000 лк. Что касается изменений суточного
и сезонного ритмов, активности мозга, самочувствия и здоровья, то для
человеческого глаза требуется более высокая синяя составляющая света.
Рис.1 Кривые спектральной светочувствительности глаза.
Доля синего света: биологическое воздействие (данные на основе снижения уровня мелатонина), доля красного света: визуальное восприятие
Изучение параметров
Чтобы определить влияние архитектуры офисных зданий, величины окон и их
ориентации по сторонам света, а также систем солнцезащиты и регулирования
естественной освещенности на общий расход энергии, качество освещенности
и температуру помещений в летний период, были проведены изучение систематического
изменения основных проектных параметров и расчет их воздействия. При этом
для получения реального представления о взаимном влиянии света и тепла
было обеспечено согласование использованных методов расчета фотометрической
и термической характеристики офисных помещений между собой.
В рамках научно-исследовательского проекта “Освещение офисных помещений”
были проведены сравнительные измерения на различных фасадных системах,
итоги которых использовались потом для подтверждения достоверности результатов
данных моделирующих программ.
Специально для исследований была разработана стандартная модель, как образец
комбинированного офиса с различной ориентацией окон. Для моделирующих
расчетов использовались три системы солнцезащиты и регулирования естественной
освещенности (Рис.2).
Рис.2 Системы солнцезащиты и регулирования естественной освещенности: традиционные жалюзи, светорегулирующие жалюзи, светорегулирующие стекла и жалюзи в SZR. Фотографии испытательного фасада университета в Дортмунде
Первая система представляет собой традиционные установленные снаружи жалюзи. Вторая система имеет жалюзи со светорегулирующими, вогнутыми пластинами (ламелями) в верхней части. Третья система (светорегулирующее стекло) интегрирована в пространство между стеклами: светорегулирующие акриловые профили и литое стекло в верхней части; жалюзи в нижней части окна.
Светотехнические исследования
Конструкция окна без перемычек для фасадов с отдельно расположенными окнами
также значительно более эффективна, чем конструкция с оконными перемычками
и минимальными размерами в соответствии с DIN 5034 и ASR 7/T1.
При сравнении ориентации окон по сторонам света и систем солнцезащиты
оказалось, что применение традиционных жалюзи обеспечивает наименьшую
освещенность, которая даже вблизи окна ниже минимальной номинальной освещенности,
в то время как светорегулирующее стекло при закрытых жалюзи обеспечивает
наибольшие значения (значительно выше 1000 лк). Они примерно равны аналогичным
показателям в полдень на северной или западной стороне при открытой системе
защиты.
|
При проведении сравнительных исследований размеров окон, сделаны
следующие выводы: |
В существующих на сегодняшний день расчетах для годового расхода электроэнергии на освещение в соответствии с DIN 5034, используемый естественный свет учитывается только лишь через паушальные факторы, так, что значение светорегуляции учитывается недостаточно или не учитывается вовсе. Поэтому в рамках данного научно-исследовательского проекта был разработан метод расчета, который на основе измеренных и смоделированных параметров системы обеспечивает получение точных и достоверных данных об используемой доле естественного света.
Рис.3 Освещенность в зависимости от системы солнцезащиты и ориентации окон по сторонам света, 06.07., 12 часов дня (солнечно), системы солнцезащиты на южной и восточной стороне закрыты. Фасад с отдельно расположенными окнами
На основе данных часовой освещенности помещений, рассчитанных для солнечных и пасмурных расчетных дней квартала в результате моделирования различных фасадов, были получены отношения величины внутренней освещенности к внешней для точек измерения в соответствующей зоне помещения. На основе контрольного расчетного года (TRY 3 Essen) из отношений экстраполируются значения внутренней освещенности для каждого часа года для расчета полезной экспозиции по Aydinli. В свою очередь определяется расход электроэнергии для искусственного освещения по Гёрресу (Gorres), при котором учитывается экономия энергии за счет регулирования освещения в зависимости от интенсивности естественного освещения. Результаты расчетов свидетельствуют о значительной экономии энергии благодаря применению светорегулирующих солнцезащитных систем, даже в том случае, если фасады ориентированы на север (Рис.4).
Рис.4 Годовой расход энергии для искусственного освещения в зависимости от ориентации офисных помещений на примере фасадов с окнами-отверстиями
Термические исследования
Целью данных исследований является сравнение эффективности систем солнцезащиты
и регулирования естественной освещенности в зависимости от температуры
в помещении в летний период, а также расхода энергии для его охлаждения
и нагрева. Отдельные данные по расходу энергии на охлаждение помещений
представлены на Рис.5.
Рис. 5 Годовой расход энергии на охлаждение офисных помещений [кВт-ч/м2 в год] в зависимости от типа систем солнцезащиты, фасада и ориентации офисных помещений (слева: для ориентации на север-юг; справа: восток-запад);
KJ — традиционные жалюзи; LJ — светорегулирующие жалюзи; LG — светорегулирующее стекло
Резюме и заключение
На Рис.6 представлено влияние доли остекления фасадов и систем солнцезащиты
на величину расхода энергии для различных целей и в сумме (первичная энергия)
на примере офиса, ориентированного на юг. С увеличением доли остекления
фасада уменьшается расход энергии на освещение, в то же время расход энергии
на охлаждение и нагрев помещения, а также общее потребление энергии увеличиваются.
Бросается в глаза относительно большая доля энергии, идущей на освещение,
в общем потреблении энергии.
Рис.6 Расход первичной энергии [кВт-ч/м2 в год] для различных целей: нагрев, охлаждение помещений и освещение в зависимости от доли остекления фасада на примере офиса, ориентированного на юг
На Рис.7 представлен общий расход первичной энергии при использовании естественного освещения вблизи окна (качество освещения) на примере офиса, ориентированного на юг. Самые низкие показатели расхода энергии и самое высокое качество освещения были достигнуты благодаря применению светорегулирующих стекол, т.е. самое оптимальное с точки зрения экономической эффективности и экологии конструктивное решение одновременно обеспечивает и самый высокий световой комфорт.
Рис.7 Общий расход первичной энергии [кВт-ч/м2 в год]
и годовая экспозиция дневным (естественным) светом
в зоне 1, системы солнцезащиты и типы фасадов
на примере офиса, ориентированного на юг;
KJ — традиционные жалюзи;
LJ — светорегулирующие жалюзи;
LG — светорегулирующее стекло
В заключении следует подчеркнуть, что только общая оценка офисных помещений
относительно комфорта пользователя и общего расхода энергии позволяет
обеспечить оптимизацию солнцезащиты и использования естественного освещения.
Особое значение для организации рабочих мест в офисе имеют последние данные
науки о труде о влиянии света на биоритмы человека, т.е. не только на
его зрительные способности, но и на общую работоспособность сотрудника.
Общая оценка становится возможной только при использовании согласованных
термических и фотометрических методов расчета, обеспечивающих получение
достоверных результатов. Большое количество многофункциональных систем
солнцезащиты и регулирования естественного освещения обуславливает необходимость
координации расчетов общего коэффициента пропускания энергии (g) и распределения
естественного света в помещении в зависимости от положения солнца или
угла падения солнечного излучения. Такие методы были разработаны, проверены
в ходе измерений и представлены в данной статье. Широкий диапазон данных,
полученных в результате расчетов для отдельных конструктивных решений,
полностью оправдывает затраты на их разработку и проведение.
Хельмут Ф.О.Мюллер (Helmut F.O.Muller),
кафедра микроклиматической архитектуры
университета в Дортмунде
