Úspora elektrickej energie na osvetlenie v dennom režime

Je všeobecne známe, že denné svetlo má priaznivý účinok na organizmus človeka a výrazne ovplyvňuje hygienickú kvalitu prostredia v budovách. Jeho účinky boli opísané v mnohých učebniciach a odborných textoch. Pri projektovaní budov je preto veľmi dôležité zohľadniť svetelnotechnické požiadavky pri hodnotení osvetlenia v interiéroch.

Účinky slnečného žiarenia na človeka sa prejavujú celkovým pôsobením jeho infračervenej, viditeľnej a ultrafialovej zložky. V súčasnosti sa stretávame so zahusťovaním zástavby, čo veľmi často prináša zhoršenie dostupnosti denného svetla v budovách. V ich vnútornom prostredí sa však človek zdržiava značnú časť svojho života. Nedávne štúdie ukazujú, že až okolo 90 % času trávime v interiéri, prevažnú časť z tohto sme v práci, v kanceláriách, továrňach, prípadne doma. Pri projektovaní budov je preto veľmi dôležité zohľadniť požiadavky na hodnotenie denného osvetlenia. Slovenská technická norma STN 73 05 80 [1] predpisuje hodnotiť denné osvetlenie v budovách podľa kritéria činiteľa dennej osvetlenosti. Ako ukazuje tento článok, ktorý vychádza z uskutočnenej štúdie, v súčasnosti existujú moderné simulačné programy, ktorými možno predurčovať dostupnosť denného svetla, potrebu elektrickej energie na osvetlenie (kWh) a produkciu emisií CO₂.

Zaužívaná prax nie je vždy najlepšia
Činiteľ dennej osvetlenosti D je pomer osvetlenosti v danom bode pracovnej roviny k súčasnej porovnávacej vonkajšej osvetlenosti na nezatienenej vodorovnej rovine pri rovnomerne zamračenej oblohe. Priame slnečné svetlo je pritom vylúčené. Hodnota dennej osvetlenosti sa udáva v percentách (1). Činiteľ dennej osvetlenosti sa skladá z troch zložiek – oblohovej Ds (%), vnútornej odrazenej Di (%) a vonkajšej odrazenej De (%). Výsledná hodnota je súčtom všetkých týchto troch zložiek:

D = Ds + Di + De  (%)    (1)

Podľa slovenskej normy STN 73 0580 sa na výpočet hodnoty D použije model rovnomerne zamračenej oblohy, ktorý bol prijatý Medzinárodnou komisiou pre osvetlenie (CIE) v roku 1955 ako štandard pre svetelnotechnické výpočty. Slovenská norma však bola schválená v apríli 1986, takže ide o pomerne zastaraný predpis, ktorý nezodpovedá súčasným potrebám. Tie sa uvádzajú v zákone č. 555/2005 Z. z. [2], ktorým sa ustanovujú postupy a opatrenia na zlepšenie energetickej hospodárnosti budov s cieľom optimalizovať vnútorné prostredie v budovách a znížiť emisie oxidu uhličitého pri prevádzke budov. Podľa tohto zákona sa zároveň hodnotí energetická hospodárnosť budov, pričom do výpočtu potreby energie sa musí zahrnúť:

• poloha a orientácia budovy a vplyv vonkajších klimatických podmienok na vnútor­né prostredie, najmä vplyv teploty vzduchu, vetra a slnečného žiarenia (§ 3 písm. b zákona),
• zabudované osvetľovacie zariadenie, najmä jeho druh, typ, vek a fyzický stav, svetelný výkon a energetický príkon (§ 3 písm. f zákona).

To znamená, že v určitých typoch budov sa musí preukázať aj potreba elektrickej energie na osvetlenie.
Jedným z hlavných nedostatkov konceptu kritéria činiteľa dennej osvetlenosti je, že vystihuje len jednu špecifickú situáciu, ktorej výskyt nie je na Slovensku počas roka dominantný, a je problematické podľa neho posúdiť premenlivosť celoročných svetelných podmienok. Orientácia posudzovaného interiéru nemá totiž na výsledné hodnoty denného osvetlenia žiadny vplyv (obr. 1). Do výpočtu nevstupujú lokálne podmienky danej klímy, ani zemepisná šírka. Zamračená obloha podľa CIE má tendenciu podceňovať jas blízko nad horizontom. Ďalej platí, že hodnota činiteľa dennej osvetlenosti nedáva úplnú predstavu o potrebe elektrickej energie na osvetlenie. Napriek tomu sa toto kritérium stále používa pri návrhu osvetľovacích otvorov a hodnotení osvetlenia vo vnútornom prostredí.

V súčasnosti sa na hodnotenie celoročného využitia denného osvetlenia môže použiť viac metód a programových balíkov, napr. Daylight Autonomy [3] či Model Climate
Based Daylight [4].

Obr. 1  Rozloženie jasov na CIE zamračenej oblohe a ich rovnaký vplyv na rôzne orientované interiéry a) severovýchodná orientácia, b) juhozápadná orientácia

Hodnotenie podľa metódy Daylight Autonomy
Základným kritériom hodnotenia využiteľnosti denného svetla v metóde Daylight Autonomy (DA) je definované percento hodín za rok, kedy sa požaduje interiérová osvetlenosť zabezpečená len samotným denným svetlom. Na rozdiel od konceptu činiteľa dennej osvetlenosti, v prístupe DA sa berie do úvahy priemerná osvetlenosť plochy pri podmienkach výskytu všetkých typov oblôh, ktoré sa opisujú difúznou a priamou osvetlenosťou a sú prístupné v dátovom súbore [5].

Z definície DA vyplýva, že ak sa zvolí napríklad hodnota DA 75 % pre príslušnú posudzovanú rovinu s pracovným časom zvoleným od pondelka do piatka medzi 8.00 a 17.00 hod. a s minimálnym osvetlením posudzovanej roviny 500 lx, tak 75 % tohto pracovného času bude na pracovnej ploche postačovať denné osvetlenie a nebude ju treba prisvetľovať umelým osvetlením. V uvedenom príklade predstavuje kritérium na vypínanie a zapínanie osvetľovacej sústavy úroveň vnútorného osvetlenia 500 lx.

Na predstavenie konceptu DA sa porovnali dve rovnaké kancelárie s orientáciou na juh a na sever, umiestnené v Bratislave. Do každej kancelárie sa navrhlo vyhovujúce umelé osvetlenie (obr. 2). Urobilo sa porovnanie potreby elektrickej energie na osvetlenie s použitím rôznych ovládacích prvkov a vyčíslila sa produkcia emisií CO₂. Na simulovanie celoročného priebehu osvetlenosti sa použil súbor klimatických dát [5], ktorý s väčšou presnosťou vystihuje premenlivosť vonkajšej klímy. Cieľom hodnotenia bolo zabezpečiť vizuálny komfort budúcich užívateľov kancelárií, znížiť potrebu elektrickej energie potrebnej na umelé osvetlenie, a tým zároveň znížiť emisie CO₂.

Obr. 2  Priestorové 3D rozloženie svetelného toku svietidiel	Obr. 3  Vizualizácia kancelárie v programe Dialux

Kancelárie
Množstvo denného svetla v miestnostiach závisí od návrhu stavebných konštrukcií, dostupnosti denného svetla, orientácie objektu, veľkosti a optických vlastností okenných konštrukcií.

V rámci hodnotenia sa porovnávali kancelárie štvorcového pôdorysu s rozmermi 6 × 6 m a s výškou 2,8 m. V kanceláriách bolo pásové okno dlhé 6 m na celú šírku miestnosti, s výškou 1,9 m a parapetom vo výške 0,9 m (obr. 3). Okná boli bez žalúzií a so žalúziami s manuálnym a stmievaným režimom ovládania umelého osvetlenia. Vo výpočtoch sa použili hodnoty činiteľov odrazu vnútorných a vonkajších povrchov podľa tab. 1. Tienenie od okolitých stavieb sa nebralo do úvahy z dôvodu zjednodušenia prezentácie metodiky DA.

V obidvoch kanceláriách sa navrhli rovnaké zvislé plastové okná s akustickým a tepelnoizolačným zasklením 6 – 16 – 4 mm. Okná mali súčiniteľ prechodu tepla zasklením Ug = 1,1 W/(m². K), činiteľ priepustnosti svetla τ = 79 % a celkovú priepustnosť slnečnej energie zasklením g = 60 %.

Podmienky hodnotenia
V štúdii sa použili celkovo tri druhy výkonných výpočtových a simulačných programov Dialux 4.9, Ecotect Analysis 2011 a Daysim. Program Dialux je svetelnotechnický prog­ram, ktorý sa využíva najmä na výpočty a vizualizácie vonkajšieho a vnútorného umelého osvetlenia. Ovládanie programu je pomerne jednoduché a intuitívne. Do programu sa dajú importovať pomocou prídavných modu­lov (plug-in) alebo online katalógov skutočné údaje o svietidlách s reálnymi parametrami svietivosti. Na prezentáciu výsledkov možno pripraviť realistické vizualizácie alebo aj videosekvencie (obr. 4, 5). V programe Dialux 4.9 sa vymodelovala kancelária s navrhnutými rozmermi a vlastnosťami povrchov spolu s určením vyhovujúceho umelého osvetlenia.

Obr. 4. Rozloženie osvetlenia kancelárie (lx)
Obr. 5 Rozloženie jasu v kancelárii (cd/m2)

Podľa [6] sa v kancelárskej miestnosti na pra­covnej rovine uvažovala požadovaná udržiavaná osvetlenosť 500 lx umelého osvetlenia.

Vzhľadom na zložitejšiu úlohu hodnotenie obsahuje viac krokov:

• zistenie úrovní osvetlenosti,
• modelovanie geometrie miestnosti pre jej prenos do programu Daysim,
• simuláciu dostupnosti denného osvetlenia,
• vyčíslenie potreby elektrickej energie,
• vyčíslenie produkcie emisií CO₂.

Na základe výpočtu z programu Dialux a zvolených svietidiel sa do ďalšej simulácie prevzali výstupné parametre štyroch stropných svietidiel s rozmermi 128 × 1 625 mm a s výškou 101 mm. Výkon každého svietidla bol 109 W, z čoho vychádza celkový výkon osvetľovacej sústavy 4 × 109 = 436 W. Pri celkovej ploche miestnosti 36 m2 to predstavuje 12,11 W/m². Po ukončení výpočtu v programe Dialux sa zistila priemerná osvetlenosť na pracovnej rovine 515 lx.

Následne sa použil program Ecotect Analysis 2011 na modelovanie geometrie kancelárie, určenie orientácie (sever/juh) a materiálových charakteristík povrchov, keďže program Daysim neumožňuje načítať výstupy z prog­ramu Dialux. Práca v programe Ecotect je ná­ročnejšia, okrem modelovania geometrie však tento program umožňuje pridávať vlastnosti nových materiálov s požadovanými optickými vlastnosťami, čo je jeho prednosťou.

Posudzovaná rovina v kancelárii sa zvolila vo výške 850 mm nad podlahou s obvodom 1 m od povrchu stien (obr. 6). Toto jednoduché vymodelovanie geometrie miestnosti s následným definovaním materiálových charakteristík každého povrchu postačovalo na ďalšiu simuláciu. V nasledujúcom kroku bolo treba pripraviť exportný súbor z programu Ecotect tak, aby sa dal načítať simulačným programom Daysim. Tento program umožňuje simulovať rozloženie jasu v interiéri, vypočítať hodnoty činiteľa dennej osvetlenosti a hodnoty DA na zvolenej rovine alebo v referenčnom bode. Ako pri každom simulačnom balíku, aj v tomto prípade bolo veľmi dôležité starostlivo pripraviť vstupné údaje. Ďalšie nastavenia simulácie, ktoré sa zvolili v programe Daysim, sú:

• začiatok pracovného času:    8.00 hod.,
• koniec pracovného času:    17.00 hod.,
• dve 30-minútové prestávky (jedna dopoludnia, druhá popoludní) a jedna dlhšia, hodinová prestávka počas obeda,
• inštalovaný svetelný výkon svietidiel: 436 W/36 m² = 12,11 W/m²,
• dva varianty tienenia okien kancelárie (so žalúziami a bez žalúzií); v prípade použitia žalúzií sa vyhodnocovali dva spôsoby ich ovládania, a to: manuálne a automatické:

–    automaticky ovládané tienenie: tienenie sa bude automaticky aktivovať, ak je na pracovnej rovine priame slnečné žiarenie s intenzitou nad 50 W/m², aby sa zabránilo oslneniu; ak hodnota ožiarenosti klesne pod túto úroveň, tienenie okien sa zruší,

• minimálna udržiavaná osvetlenosť na pracovnej ploche: 500 lx
• nastavenie profilu užívateľa:

–    aktívny užívateľ – tento užívateľ ovláda elektrické osvetlenie vo vzťahu k dennému svetlu; v dopoludňajších hodinách vytiahne žalúzie a čiastočne ich stiahne počas dňa, aby sa zabránilo oslneniu,
–    pasívny užívateľ – tento užívateľ udržiava počas pracovného dňa elektrické osvetlenie zapnuté, žalúzie sú stiahnuté počas celého roka, aby sa zabránilo oslneniu.

Keďže nebol známy profil budúceho užívateľa, zvolila sa kombinácia aktívneho aj pasívneho užívateľa. Program zasimuloval oba profily a vypočítal priemer z čiastkových výsledkov. Následne sa porovnali dva druhy ovládacích prvkov umelého osvetlenia, a to:

• manuálny zap/vyp vypínač pri dverách,
• kombinácia senzoru prítomnosti ľudí a stmievacieho systému.

Výpočet produkcie emisií CO₂ sa urobil podľa vyhlášky č. 625/2006 Z. z. [7], v ktorej je pre elektrinu uvedený súčiniteľ emisií CO₂ s hodnotou 0,640 kg/kWh.

Výsledky
Ako sme už uviedli, koncept činiteľa dennej osvetlenosti má pri návrhu, hodnotení a využívaní denného osvetlenia vo vnútorných priestoroch budov svoje obmedzenia, pretože je založený na jednom type oblohy. Pre obe kancelárie na posudzovanej rovine sa zistili hodnoty činiteľa dennej osvetlenosti vyššie ako 2 % (tab. 5). Metóda DA bola vyvinutá tak, aby poskytovala komplexnú analýzu denného svetla v budove. V tab. 4 vidieť výsledné hodnoty tohto parametra na celej posudzovanej rovine. Rozdiely sú badateľné vo väčšej vzdialenosti od okna. Hodnota DA závisí od lokality, minimálnej hodnoty osvetlenia, orientácie interiéru na svetové strany, typu užívateľa, obsadenosti miestnosti a od typu tienenia okien. Výsledky v tab. 2 a tab. 3 ukazujú, že potreba elektrickej energie bude približne rovnaká, aj keď badať tendenciu lepšej bilancie pri južnej kancelárii, čo vyplýva z okrajových podmienok použitých v simulačných výpočtoch. Na severnej strane v netienenej miestnosti zabezpečuje difúzne oblohové svetlo vyhovujúce podmienky na osvetľovanie denným svetlom. Vysoká úroveň priameho slnečného svetla na južnej strane sa reguluje tieniacou technikou na požadovanú úroveň, čím nevznikajú dodatočné nároky na používanie umelého osvetlenia.

Záver
Na vyčíslenie potreby energie a znižovania emisií CO₂ možno uviesť príklad, keď sa použijú žalúzie s automatickým ovládaním a ovládaním pomocou vypínača so senzorom pohybu. Potom možno očakávať úsporu spotreby energie o približne 151 kWh, zníženie emisií CO₂ o 96 kg a zníženie času, počas ktorého je umelé osvetlenie v prevádzke, o približne 478 hodín. Ak vezmeme do úvahy, že ide iba o jednu kanceláriu, a nie celú budovu, je evidentné, že správnym návrhom osvetľovacích otvorov a dispozičného riešenia budovy možno pri jej prevádzke ušetriť značné množstvo energie.

Príspevok vznikol s podporou projektu VEGA 2/0029/11 a výstupov projektu APVV-0177-10.

Ing. Miroslav Fabian, Ing. Stanislav Darula, CSc.
Foto a obrázky: archív autorov, Dano Veselský, Phlilips

M. Fabian pôsobí na Stavebnej fakulte STU v Bratislave, S. Darula pôsobí na Ústave stavebníctva a architektúry SAV v Bratislave.

Literatúra
1.    STN 73 0580-1 Denné osvetlenie budov. Časť 1: Základné požiadavky.
2.    Zákon č. 555/2005 Z. z. o energetickej hospodárnosti budov a o zmene a doplnení niektorých zákonov.
3.    Reinhart, C. – Wienold, J.: The daylighting dashboard – a simulation – based design analysis for daylit spaces. Building and Environment, 2011, 46, 2, 386 – 396.
4.    Mardaljevic, J.: Climate-based daylight analysis for residential buildings. Impact of various window configurations, external obstructions, orientations and location on useful daylight illuminance. Technical Report, IESD, De Montfort University, Leicester, 2008.
5.    http://apps1.eere.energy.gov/buildings/energyplus/cfm/weather_data3.cfm/region=6_europe_wmo_region_6/country=SVK/cname=Slovakia%20(Slovak%20Republic).
6.    STN EN 12464-1 Svetlo a osvetlenie. Osvetlenie pracovísk. Časť 1: Vnútorné pracoviská.
7.    Vyhláška Ministerstva výstavby a regionálneho rozvoja Slovenskej republiky č. 625/2006 Z. z., ktorou sa vykonáva zákon č. 555/2005 Z. z. o energetickej hospodárnosti budov a o zmene a doplnení niektorých zákonov.

Článok bol uverejnený v časopise TZB HAUSTECHNIK.