Simulovanie denného svetla v umelej oblohe

Ide o názov unikátneho vedeckého projektu, na ktorom sa podieľajú pracovníci ÚSTARCH SAV (Ústav stavebníctva a architektúry Slovenskej akadémie vied) a Katedry konštrukcií pozemných stavieb Slovenskej technickej univerzity v Bratislave, ktorý finančne podporila Agentúra na podporu výskumu a vývoja.

Od minulosti po súčasnosť
Norma STN 730580, ktorá sa na Slovensku využíva na posúdenie vyhovujúceho denného osvetlenia v budovách, je platná na našom území už od roku 1986. Ako okrajová podmienka hodnotenia sa prijal model rovnomerne zamračenej oblohy, ktorý bol odporučený CIE ako medzinárodný štandard vonkajších svetelných podmienok ešte v roku 1955. Môžeme povedať, že spomenutá norma a hodnotenie denného osvetlenia úplne nezohľadňujú trendy súčasnej doby a potrebu znižovať energetickú náročnosť stavieb. Podľa tohto typu oblohy sa dá hodnotiť denné osvetlenie v budovách pri najnepriaznivejších podmienkach, nedokážeme však pomocou takéhoto modelu hodnotiť denné osvetlenie počas celého roku. V roku 1997 slovenskí vedci v spolupráci so zahraničnými kolegami vyvinuli koncept pätnástich typov oblôh, ktoré lepšie vystihujú premenlivé svetelné exteriérové podmienky.

Denné osvetlenie interiérov sa v súčasnosti navrhuje a vyhodnocuje výpočtom alebo meraním pri štandardných podmienkach rovnomerne zamračenej oblohy. Výpočtové programy pracujú s troma zložkami osvetlenia – oblohovou, vonkajšou reflexnou a vnútornou reflexnou. Algoritmy integrujú úrovne oblohových jasov v priestorovom uhle vymedzenom plochou okenných otvorov, čím sa získava osvetlenosť. Pri výpočtoch dennej osvetlenosti sa využívajú profesijne orientované programy, napr. OSV (SK), DEN (CZ), WDLS (CZ), ADELINE (USA), AGI32 (USA), VELUX (DK), Relux (CH), alebo simulačné balíky, napr. RADIANCE (USA), ESP-r (UK), EnergyPlus (CND). Všeobecne platí, že výsledky výpočtu množstva oblohového svetla pri podmienkach CIE zamračenej oblohy získané rôznymi programami sú podobné. Značné rozdiely možno očakávať pri zohľadnení iných oblohových situácií, ako aj pri výpočte množstva svetla odrazeného od vonkajších prekážok a zohľadnení vplyvu interreflexie, keďže každý program využíva iné vstupné údaje a iné algoritmy. To môže spôsobiť, že výsledky výpočtov denného osvetlenia z dvoch programov sa nedajú porovnať a vzájomne verifikovať, prípadne sa nedajú spoľahlivo vyhodnotiť v miestnostiach so zložitejšou geometriou vnútorného priestoru a komplikovanými odrazmi v interiéri a v okolí budovy.

Na preukázanie presnosti výpočtov dennej osvetlenosti a verifikáciu výsledkov z výpočtových programov možno použiť modelové merania (obr. 1). Keďže sa podmienky dennej osvetlenosti počas dňa neustále menia, mali by sa realizovať merania v rôznych situáciách. Vzhľadom na to, že norma požaduje zabezpečiť vyhovujúcu osvetlenosť, len keď je zamračené, merania by sa mali robiť vtedy, keď takéto situácie v exteriéri nastanú. To môže spôsobiť vážne problémy v bežnej praxi, pretože je ťažké vystihnúť normové svetelné podmienky. V súčasnosti je na Slovensku podľa STN 73 0580 platný normovaný model rozloženia oblohových jasov podľa CIE rovnomerne zamračenej oblohy. Na základe dlhodobých meraní sa preukázalo, že výskyt týchto situácií je na Slovensku dominantný v  mesiacoch november, december, január a február (Kittler a kol., 2001).

Obr. 1 Modelové meranie pod umelou oblohou (http://www.cardiff.ac.uk/archi/skydome)

Aby sa predišlo spomínaným problémom pri interpretácii výsledkov výpočtov, na renomovaných univerzitách v zahraničí (napr. v Turíne, Lausanne, Cardiffe (obr. 1 a obr. 2), Limelette) sa prevádzkujú umelé oblohy. Nájdeme ich však aj v súkromných firmách (napr. Bartenbach LichtLabor v Aldrans). Pri zadefinovaných oblohových podmienkach tak možno merať interiérovú osvetlenosť. Každé takéto zariadenie vyžaduje splnenie náročnej úlohy, a to napodobenie rozloženia jasu na typických oblohách.

 
Obr. 2 Model mestskej časti pod umelou oblohou (http://www.cardiff.ac.uk/archi/skydome)

Výhodou umelých oblôh je, že vždy poskytujú stabilné, navzájom porovnateľné exteriérové podmienky na modelové merania, umožňujú zmerať dennú osvetlenosť aj v prípadoch, keď sa štandardnými spôsobmi nedá vypočítať, a dovoľujú skúmať vplyvy geometrie priestoru, stavebných konštrukcií a presvetľovacích prvkov na distribúciu svetla vo vnútornom priestore. V zahraničí je používanie modelových meraní pod umelou oblohou pomerne rozšírene (obr. 3)
 

Obr. 3 Situácia z Hong Kongu ako model pod umelou oblohou a v realite (http://www.cardiff.ac.uk/archi/skydome_applications)
Hlavný cieľ projektu

V ÚSTARCH SAV v Bratislave sa od roku 1968 nachádza a je v prevádzke umelá obloha hemisférického tvaru s priemerom 8 m, unikátne laboratórne zariadenie na simulovanie oblohových jasov (obr. 4). Toto simulačné zariadenie pozostáva zo železobetónovej kupoly tvoriacej oblohovú hemisféru, ktorá má na vnútornom povrchu špeciálnu svetlorozptyľujúcu omietku. Kupola je nasvecovaná z podlahy scénickými svietidlami s klasickými žiarovkami s vysokou spotrebou energie. V jej strede sa nachádza pracovný stôl na osadenie modelu miestnosti, súboru objektov alebo iného zariadenia. V umelej oblohe v ÚSTARCH SAV možno v súčasnosti simulovať štandardné podmienky CIE rovnomerne zamračenej oblohy, rovnorodej a CIE jasnej oblohy (Kittler 1974).
 
Obr. 4 Umelá obloha v ÚSTARCH SAV v Bratislave

Hlavným cieľom projektu je vyriešenie nasvietenia vnútorného povrchu kupoly tak, aby sa dosiahlo rozloženie oblohových jasov podľa ISO 15469:2004, t. j. 15 typov oblôh, aby sa znížila spotreba prevádzkovej elektrickej energie a osadením nových LED svietidiel sa simulovalo svetlo, ktorého spektrálne zloženie sa viac priblíži dennému svetlu (Mácha, 2013).

V súčasnosti sa pripravuje znenie novej európskej normy týkajúcej sa denného osvetlenia budov, do ktorého za Slovenskú republiku aktívne prispievajú aj členovia tohto projektu. Podľa tejto novej normy bude jedna z možností verifikácie denného osvetlenia v budovách aj jeho simulovanie pod umelou oblohou. Zvládnutím tejto náročnej úlohy získa Slovensko jeden z najdokonalejších simulátorov denného osvetlenia so svetovými parametrami. Architekti a projektanti si budú môcť v projektovej fáze variantným spôsobom pod umelou oblohou overiť vhodnosť svojho návrhu, a to na modeloch v zmenšenej mierke reprezentujúcich reálny stav. Dokážu tak včas korigovať chybné rozhodnutia. Študenti Stavebnej fakulty, Fakulty architektúry budú môcť počas svojho štúdia využívať simulátor na prehĺbenie vedomostí zo stavebnej fyziky a tiež riešiť čiastkové úlohy doktorandských dizertačných prác, prípadne výskumných prác spojených s denným osvetlením budov.

Záver
Vývoj riešení v oblasti stavebnej fyziky naznačuje, že čím viac sa budú presadzovať výsledky, ktoré lepšie využívajú prírodné zdroje, tým budú budovy hospodárnejšie pri nakladaní s energiami a poskytnú svojim užívateľom zdravé podmienky na prácu a pobyt. Svetelné podmienky v prírode sa vyznačujú neustálou premenlivosťou a úlohou akademických pracovísk je hľadať spôsoby, ako čo najlepšie využiť to, čo nám príroda poskytuje. Ukazuje sa, že jednou z ciest, ako tento cieľ naplniť, je mať systém reprezentantov svetelných podmienok, ktorý sa bude využívať pri projektovaní. Umelé oblohy a oblohové simulátory v tomto prípade poskytujú možnosti na riešenie úloh tam, kde sú výpočtové programy neefektívne.

Poďakovanie

Príspevok vznikol za podpory projektu APVV-0118-12.

Vedecký tím

Doc. Ing. Darula Stanislav, CSc., ukončil štúdium v odbore pozemné stavby na SvF SVŠT v Bratislave v r. 1976. V roku 1994 získal vedecký titul CSc. Je vedúcim oddelenia stavebnej fyziky na ÚSTARCH SAV v Bratislave. Zaoberá sa výskumom dostupnosti denného svetla, jeho využitím na tvorbu zdravého a energeticky efektívneho prostredia v budovách, štandardizáciou, návrhom a hodnotením denného osvetlenia budov.

Doc. Ing. Richard Kittler, DrSc., ukončil štúdium na Fakulte architektúry a pozemného staviteľstva SVŠT v odbore Pozemné stavby a architektúra v r. 1953. Bol zodpovedný za vybudovanie svetelnotechnického laboratória a je autorom pôvodného riešenia umelej oblohy na ÚSTARCH SAV v Bratislave. Je celosvetovo uznávaným vedcom a odborníkom v oblasti denného osvetlenia budov. V roku 2007 mu na generálnom zasadnutí CIE v Pekingu bola udelená Wyszeckého cena za mimoriadny a dlhoročný prínos v základnom výskume. Napísal niekoľko kníh o dennom osvetlení budov, využívaní denného osvetlenia a slnečného žiarenia, ktoré sa stali učebnými textami. Pôsobil ako vysokoškolský pedagóg na domácich a zahraničných univerzitách.

RNDr. Ladislav Kómar, PhD., ukončil štúdium v odbore fyzika na Fakulte matematiky, fyziky a informatiky Univerzity Komenského v Bratislave v r. 2006. V roku 2010 získal vedecký titul PhD. a akademický titul RNDr. V oblasti svetelnej techniky sa venuje rozptylu elektromagnetického žiarenia v atmosfére Zeme, modelovaniu oblohových jasov, dostupnosti denného svetla v interiéroch a pasívnym osvetľovacím systémom. Okrajovo sa venuje štúdiu svetelného znečistenia a charakterizácii atmosférických aerosólov.

Ing. Marek Mácha ukončil štúdium v odbore svetelná technika na FEI STU v Bratislave v r. 2009. Je mladý pracovník so skúsenosťami v oblasti návrhu LED svietidiel, výskumu ich optických vlastností, fotometrie, počítačového modelovania svietivosti svietidiel a návrhu a hodnotenia umelého osvetlenia v budovách. M. Mácha je tiež aktívnym členom CIE technickej komisie TC1-69: Colour Rendition by White Light Sources a predsedom technickej normalizačnej komisie TK 108 Svetlo a osvetlenie.

Ing. Hanuliak Peter, PhD. ukončil štúdia na SvF STU v Bratislave v odbore Pozemné stavby v r. 2006. Dizertačnú prácu obhájil na SvF STU v Bratislave v r. 2012. Pracuje ako odborný asistent na Katedre konštrukcií pozemných stavieb SvF STU v Bratislave. Jeho profesijný záujem sa sústreďuje na riešenie úloh v oblasti simulovania denného osvetlenia v budovách, hodnotenia vizuálnych a nevizuálnych účinkov svetla na ľudský organizmus a experimentálne merania denného osvetlenia. Spolupracoval na vedeckom projekte APVV 0150-10.

Ing. Fabian Miroslav ukončil štúdium na SvF STU v Bratislave v odbore Pozemné stavby v r. 2011. V súčasnosti je doktorandom na Katedre konštrukcií pozemných stavieb SvF STU v Bratislave. Projektuje aj v oblasti stavebnej fyziky, kde sa sústreďuje najmä na oblasť denného osvetlenia. Bol na študijnom pobyte na univerzite v Innsbrucku a absolvoval niekoľkomesačnú stáž na Univerzite v Kyoto v Japonsku. Spolupracoval a spolupracuje na viacerých vedeckých projektoch (APVV SK–CZ-0015-09, VEGA 2/0029/11, APVV 0118-12) a je člen Slovak Mirror group, ktorá sa vyjadruje k zneniu novej európskej normy pre denné osvetlenie budov za Slovenskú republiku.

Literatúra
ISO 15469:2004(E)/CIE S 011/E:2003. Spatial Distribution of Daylight – CIE Standard General Sky. Geneva: ISO, Vienna: CIE.
Kittler R. New artificial overcast and clear sky with artificial sun for daylight research. Light. Res. and Technol., roč. 1974, č. 4, s. 227-229.
KITTLER, Richard – DARULA, Stanislav – KAMBEZIDIS, Harry – BARTZOKAS, Aristides. Daylight climate specification based on Athens and Bratislava data. Zbor. The 9th European Lighting Conf. Lux Europa 2001, Reykjavik. 2001, s. 442–449.
Mácha, M. Možnosti výpočtovej simulácie rozloženia jasov na osvetlenej hemisfére. Zborník z 20. medzinárodnej konferencie Svetlo 2013, Podbanské 2013, s. 102-105.
STN 73 0580 Denné osvetlenie budov, 1987