Individuálne dynamické riadenie osvetlenia

Osvetlenie tvorí významnú zložku vnútorného prostredia a môže výrazne prispieť k spokojnosti osôb pri pobyte­ v ňom. S rastúcim potenciálom regulácie osvetlenia narastá aj význam možnosti rešpektovať voľbu užívateľa a umožniť­ mu aktívne sa podieľať na riadení svetelných podmienok podľa vykonávanej činnosti a jeho osobných preferencií. Aké sú možnosti využitia dynamického riadenia osvetlenia na zlepšenie spokojnosti užívateľov?

Cieľom prezentovanej štúdie bolo zistiť preferencie pri individuálnom riadení v dynamickom osvetlení a možnosti dosiahnutia energetických úspor v priestore s denným svetlom. Dynamika v štúdii spočívala v premennej intenzite osvetlenia a korelovanej teplote chromatickosti (CCT) v kombinácii s umelým a denným osvetlením. Testované osoby vykonávali jeden deň kancelársku prácu v prostredí predstavujúcom kanceláriu.

Každú polhodinu boli vyzvané, aby použili tlmiče svetla na zmenu svetelných podmienok podľa svojich potrieb. Merala sa intenzita osvetlenia, jas, CCT a spotreba energie; spokojnosť osôb sa hodnotila dotazníkmi.

Teplota chromatickosti zdroja osvetlenia Niekedy sa označuje aj ako farebná teplota; je to teplota (K), ktorá zodpovedá teplote absolútne čierneho telesa vyžarujúceho svetlo rovnakej farby (rovnakého spektrálneho zloženia) ako tento zdroj. Inak povedané, svetlo určitej farebnej teploty má farbu tepelného žiarenia vydávaného čiernym telesom zahriatym na túto teplotu. Farbu vysielanú zdrojom takmer bieleho svetla možno označovať podľa jej korelovanej teploty chromatickosti (CCT). Každý typ svetelného zdroja má špecifickú korelovanú teplotu chromatickosti (K), ktorá sa označuje ako teplá, stredne chladná a studená.

Intenzita osvetlenia a jej vplyv na človeka
Intenzita osvetlenia ovplyvňuje ľudí rozličnými spôsobmi a jej význam narastá v situáciách, keď je nevyhnutné dodržať konkrétne svetelné podmienky [1]. Tenner a kol. zistili, že ľudia majú určité problémy rozhodnúť sa, aké sú ich preferencie týkajúce sa osvetlenia [2]. Boyce a kol. zase ukázali, že určitá možnosť indivi­duálneho riadenia osvetlenia viedla k udržaniu motivácie a čulosti pracovníkov v kancelárii počas pracovného dňa [3]. Výskum Kneza a kol. viedol k zisteniu, že CCT umelého osvetlenia môže ovplyvňovať náladu osôb [4], [5]. Verderber a Leather doložili, že okná a výhľad von sú pre nich dôležité [6], [7]. Christofsen a kol. zistili, že spokojnosť s výhľadom z kancelárie bola vyššia pri výhľade na prírodnú scenériu než pri pohľade na krajinu vytvorenú človekom [8]. Kaplan doložil, že výhľad z okna do vonkajšieho prostredia ovplyvňuje spokojnosť a pocit pohody [9].

Kombináciou poznatkov, že ľudia vnímajú intenzitu osvetlenia a CCT rozlične a oceňujú výhľad do vonkajšieho prostredia, možno dôjsť k záveru, že istá miera individuálneho riadenia osvetlenia je pre nás podstatná. Riadenie osvetlenia sa môže navyše využiť na dosiahnutie energetických úspor [10]. Hlavným cieľom štúdie bolo nájsť súvislosť medzi týmito jednotlivými aspektmi umožnením individuálneho ovládania intenzity osvetlenia a CCT za prispenia denného svetla a hodnotenie spotreby energie počas experimentu. Hypotéza bola, že pri zabezpečení denného svetla spolu s umelým osvetlením sa dosiahnu energetické úspory a prvky regulácie nebudú použité na udržanie konštantnej intenzity osvetlenia na pracovnom mieste.

Merania
Testovacia miestnosť
Experiment sa uskutočnil v laboratóriu Inštitútu na výskum budov (SBI) v Dánsku. V laboratóriu (obr. 1) sa nachádzajú dve identické susediace testovacie miestnosti s rozmermi 3,5 × 6 × 3 m. Fasáda je otočená na juhojuhovýchod (7 ° odklonená od juhu), pričom zasklenie zaberá 44 % plochy steny. Okná sú široké 3,5 m a vysoké 1,4 m, parapet je vo výške 0,78 m. Okná v oboch kanceláriách majú dvojité zasklenie z bežného číreho skla s priepustnosťou svetla 72 %. Biele žalúzie (80 mm, typ RAL 9016) sa v oboch miestnostiach simultánne ovládali tak, aby nedochádzalo k oslneniu. Merania prebiehali v období od 20. 12. 2006 do 19. 3. 2007. Jedna miestnosť sa použila na testovanie osôb (miestnosť A), v druhej miestnosti bolo zázemie na meracie prístroje a pomocné zariadenia (miestnosť B).

V každej miestnosti bolo zariadenie iba pre jednu osobu – stôl umiestnený kolmo na okno so 17-palcovým LCD monitorom. V tab. 1 sú opísané použité materiály a ich odrazivosť. Osoby sedeli približne 4 m od okna. Miestnosť B sa odlišovala iba prídavným fotometrickým meracím zariadením a tiež umiestnením pracovného stola, ktorý sa nachádzal v zadnej časti miestnosti. Toto usporiadanie umožnilo získať detailné informácie o osvetlení.

Tab. 1: Materiály v testovacej miestnosti a ich odrazivosť

Systém umelého osvetlenia bol identický v oboch kanceláriách. Tvorili ho tri svietidlá Philips Savio (266 × 1 259 mm), montované priamo do stropu. Každé svietidlo obsahovalo tri lampy ovládané elektronickým tlmením, ktoré zabezpečoval komerčný regulátor MultiDim. Na nastavenie osvetlenia mali ľudia k dispozícii diaľkové ovládanie umiestnené na stole v miestnosti A. Ovládaním z miestnosti A sa zároveň nastavovalo aj osvetlenie v miestnosti B. Rozdiel svetelných podmienok v oboch miestnostiach bol menší ako 3 %.

Opis a organizácia merania
Umiestenie meracích prístrojov v interiéri znázorňuje obr. 1. Vo vonkajšom prostredí sa merala celková a difúzna zložka osvetlenia a jas v meteorologickej stanici umiestenej na streche laboratória. Spotreba energie na osvetlenie, jas a CCT sa zaznamenávali 23-krát za deň – vždy ihneď potom, čo osoby zmenili podmienky osvetlenia pomocou diaľkového ovládania.

Merania sa začínali vždy medzi 8.45 a 9.15 hod. Testujúca osoba bola oboznámená so systémom osvetlenia a regulácie a vyplnila prvú časť dotazníka. Pred jej príchodom sa umelé osvetlenie nastavilo na ~500 luxov na pracovnom stole, CCT ~3 500 K. Osoba, ktorá sa zúčastnila na meraní, bola oboznámená s tým, že regulovať osvetlenie môže iba potom, čo ju vyzve pracovník laboratória; toto vyzvanie prichádzalo vždy po 30 minútach, prvé hneď  o 9.15 hod.

Počas merania bola iba jedna prestávka, a to od 12.00 do 12.30 hod. Posledná možnosť nastaviť intenzitu osvetlenia bola o 15.15 hod. Potom účastník vyplnil druhú časť dotazníka, ktorá obsahovala otázky týkajúce sa použitia regulácie osvetlenia a spokojnosti s rozličnými aspektmi vnútorného prostredia.

Na meraní sa zúčastnilo 50 osôb (24 mužov a 26 žien), prevažne študentov vo veku 20 až 35 rokov, jedna osoba bola vo veku 44 rokov. Všetci zúčastnení nahlásili bežný stav zraku, prípadne zrak korigovaný na normálne videnie. Každý deň merania sa na experimente zúčastnila iba jedna z testujúcich osôb. Ľudia si so sebou priniesli vlastnú prácu, ktorá zahŕňala bežné kancelárske činnosti – čítanie, písanie a prácu na počítači.

Výsledky meraní
Intenzita osvetlenia
Lineárna regresia nevysvetľuje vzťah medzi jednotlivými nastaveniami osvetlenia a tlmičom, pretože experiment zahŕňa aj rozdiely medzi zúčastnenými osobami, dáva však predstavu o dôležitosti jednotlivých parametrov. Výsledky teda ukazujú koreláciu medzi nastavením tlmiča svetla a intenzitou osvetlenia stola a monitorom.

Intenzita osvetlenia meraná na stole je určená ako stredná hodnota z dvoch horizontálnych meraní po oboch stranách monitora. Stredná hodnota celkovej intenzity osvetlenia (od denného aj umelého osvetlenia) bola 926 luxov (smerodajná odchýlka (SO) 538 luxov), kde umelé osvetlenie dávalo 577 luxov (SO = 272 luxov).

Počas dňa sa celková intenzita osvetlenia menila v rozmedzí od 129 do 5 625 luxov. V tab. 2 je uvedená popisná štatistika preferencií osvetlenia pracovného stola všetkých osôb, ktoré sa zúčastnili na experimente. Tabuľka ukazuje zmeny vo voľbe intenzity osvetlenia v závislosti od denného obdobia a tiež odlišnosti medzi osobami. Dáta v pravej časti tabuľky týkajúce sa umelého osvetlenia naznačujú tendenciu tlmiť osvetlenie počas dňa pri vyššej intenzite denného svetla (cez poludnie). Táto tendencia však neviedla k uprednostňovaniu jednej hodnoty intenzity osvetlenia  počas dňa.

Tab. 2: Voľba intenzity osvetlenia na pracovnom stole meraná počas dňa (popisná štatistika)

Korelovaná teplota chromatickosti (CCT)
CCT sa merala pod zorným uhlom 45 ° voči oknu vo výške oka sediacej osoby (1,2 m nad podlahou). Pri kombinácii denného a umelého osvetlenia bola stredná hodnota CCT 4 543 K (SO = 449 K); stredná hodnota CCT umelého osvetlenia bola 3 917 K (SO = 494 K).

Výsledky v tab. 3 ukazujú, že stredná hodnota intenzity osvetlenia je pre jednotlivé osoby počas dňa približne konštantná, medzi jednotlivými osobami sú však podstatné rozdiely. Hodnoty nameranej CCT sa síce pohybovali od 3 086 do 6 325 K (denné aj umelé osvetlenie), takmer polovica zúčastnených osôb si však zvolila CCT v rozsahu od 4 300 do 4 900 K. V pravej časti tabuľky sú uvedené preferované voľby CCT elektrického osvetlenia, ktoré ukazujú, že stredná hodnota je približne rovnaká, pričom rozdiely medzi jednotlivými osobami sú veľmi výrazné. Merané hodnoty umelého osvetlenia sa pohybovali od 2 955 do 5 350 K; 66 % zvolených hodnôt sa nachádzalo v rozpätí od 3 400 do 4 300 K.

Zaujímavé zistenie priniesol rozbor výsledkov preferovanej hodnoty CCT umelého osvetlenia jednotlivých osôb. Ukázalo sa, že 36 % osôb menilo nastavenie CCT počas dňa v rozsahu 200 až 500 K, 40 % ho menilo v rozsahu 500 až 1 000 K a zvyšných 24 % v rozsahu 1 000 až 1 700 K. Treba však mať na zreteli, že pri vyhodnocovaní významu týchto intervalov je nevyhnutné zohľadniť vplyv kombinovania denného a umelého svetla.

Tab. 3: Popisná štatistika – voľba CCT

Voľba osvetlenia a CCT
Kruithofova krivka meraných hodnôt denného a umelého osvetlenia je na obr. 2. Voľby osôb znázorňujú farebné hviezdičky. Tenká krivka v grafe ukazuje kombinácie, ktoré môžu nastať pri umelom osvetlení. Svetelné prostredie sa pociťuje ako príjemné v bielej oblasti, v ľavom hornom rohu sa pociťuje ako nepríjemné z dôvodu neprirodzenej reprodukcie farieb. V spodnej – modrej časti grafu by svetelné podmienky mali na ľudí pôsobiť ako nepríjemne tmavé a chladné prostredie [11].

Výsledky ukazujú, že osoby mali tendenciu zvoliť kombináciu osvetlenia a CCT, ktorá by podľa definície Kruithofovej krivky mala zodpovedať príjemnému svetelnému prostrediu.    

Spotreba energie
Priemerná spotreba energie systému osvetlenia sa pohybovala od 4,8 do 26,2 W/m². Viac energie bolo treba v ranných a popoludňajších hodinách, menej na poludnie vzhľadom na príspevok denného svetla. Priemerná celková spotreba energie za merané obdobie bola 12,5 W/m².

Diskusie a závery
Cieľom projektu bolo určiť možnosti dynamického riadenia osvetlenia kancelárskych priestorov pri zameraní na spokojnosť osôb a spotrebu energie. Štúdiami opísanými v literatúre sa dokazovalo, že zvolená intenzita umelého osvetlenia závisí od intenzity denného svetla a osobných preferencií, pričom stredná hodnota prekračovala odporúčané hodnoty (500 luxov pre danú činnosť) [2].

V tejto štúdii sa ovládanie osvetlenia nepoužilo na dosiahnutie konštantnej úrovne intenzity osvetlenia na pracovnej doske, ako v súčasnosti automatická regulácia osvetlenia často funguje. Voľba CCT závisela od osobných preferencií osôb; 50 % testovaných osôb si zvolilo možnosť ostať počas celého dňa v blízkom rozsahu k preferovanej hodnote. Kombinácia zvolenej CCT a osvetlenia ukazuje, že ľudia mali tendenciu uprednostňovať príjemné svetelné podmienky podľa definície Kruithofovej krivky. Používanie tejto krivky pri návrhu osvetlenia nemožno však vo všeobecnosti odporúčať, pretože krivka nie je testovaná na súčasné typy zdrojov svetla.

Štúdia ukazuje, že ľudia majú tendenciu uprednostňovať určitú hodnotu CCT, ktorú do istej miery udržujú počas dňa. V porovnaní s tým intenzita osvetlenia nebola parametrom, ktorý by ovplyvňoval ich voľbu počas dňa.

Výsledky dotazníkov vypovedajú o celkovej spokojnosti osôb so svetelnými podmienkami počas experimentu. Väčšina z nich považovala možnosť nastaviť si intenzitu osvetlenia a tiež jeho farbu chromatickosti (farebnú teplotu) ako veľmi prínosnú a dôležitú.

Otázka úspor energií však nebola doriešená, zaoberať sa ňou bude nasledujúca etapa výskumu.

Ásta Logadóttir, M.Sc., Jens Christoffersen, PhD.
Autori pôsobia v Inštitúte na výskum budov na Univerzity Aalborg v Dánsku.

Obrázky: archív autorov

Príspevok vznikol  v rámci projektu ELFORSK-project 338-035 Energy Savings by Individual Dynamic Lighting Control. Autori ďakujú S. Traberg-Borupovi za jeho pomoc počas merania.

Literatúra
1. Butler, D., Biner, P. M.: Preferred Lighting Levels Variability Among Settings, Behaviors and Individuals. In: Environment and Behavior, 1987. 19(6), p. 695 – 721.
2. Tenner, A. D., Begemann, S. H. A., van den Beld, G. J.: Acceptance and Preference of Illuminaces in Offices. In: Proceedings of the 8th European Lighting Conference, Amsterdam. Lux Europa, 1997.
3. Boyce, P. R., Veitch, J. A., Newsham, G. R., Jones, C. C., Heerwagen, J. , Myer, M., Hunter, C. M.: Lighting Quality and Office Work: Two Field Simulation Experiments. In: Lighting Research and Technology, 2006, 38, p. 191 – 223.
4. Knez, I., Enmarker, I.: Effects of Office Lighting on Mood and Cognitive Performance and a Gender Effect in Work-Related Judgment. In: Environment and Behavior, 30(4), pp. 553 – 567.
5. Knez, I., Kers, C.: Effects of Indoor Lighting, Gender and Age on Mood and Cognitive Performance. In: Environment and Behavior, 1998, 32(6), pp. 817 – 831.
6. Verderber, S.: Dimensions of Persons-Window Transactions in the Hospital Environment. In: Environment and Behavior, 1986, 18(4), pp. 450 – 466.
7. Leather, P., Pyrgas, M., Beale, D., Lawrence, C.: Windows in the Workplace: Sunlight, View and Occupational Stress. In: Environment and Behavior, 1998, 30(6), pp. 739 – 762.
8. Christoffersen, J., Petersen, E., Johnson, K., Valbjorn, O., Hygge, S.: Windows and Daylighting – a Post-Occupancy Evaluation of Offices. In: Statens Byggeforskningsinstitut SBi Report 318, 1999.
9. Kaplan, R.: The Nature of the View from Home: Psychological Benefits. In: Environment and Behavior. 2001, 33(4), pp. 507 – 542.
10. Roisin, B., Bodart, M., Deneyer, A., D’ Herdt, P.: Lighting­ Energy Savings in Offices Using Different Control Systems and Their Real Consumption. In: Energy and Buildings, 2008, 4, pp. 514 – 523.
11. Kruithof, A. A.: Tubular Luminescence Lamps for General Illumination. In: Philips Technical Review, 1941, 6(3) pp. 65 – 96.

Článok bol uverejnený v časopise TZB HAUSTECHNIK.