ΦΥΣΙΚΟΣ ΦΩΤΙΣΜΟΣ ΚΤΙΡΙΩΝ ΘΕΩΡΙΑ & ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ

Transcript

1 ΦΥΣΙΚΟΣ ΦΩΤΙΣΜΟΣ ΚΤΙΡΙΩΝ ΘΕΩΡΙΑ & ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ

2 φυσικός / τεχνητός φωτισμός Άμεσοηλιακόφως(sunlight) φυσικός φωτισμός Διάχυτοηλιακόφως(daylight)

3 Ζητήματα ενέργειας

4 Η χρήση του φυσικού φωτισμού επηρεάζει την κατανάλωση ενέργειας ενός κτιρίου άμεσα και έμμεσα. Άμεσα την επηρεάζει όταν το φυσικό φως αντικαθιστά τμήμα της ηλεκτρικής ενέργειας για το φωτισμό των χώρων. Έμμεσα την επηρεάζει με δύο τρόπους: Αφενός, μεγαλύτερες επιφάνειες υαλοστασίων (άρα περισσότερο φυσικό φως) συνεπάγονται περισσότερες θερμικές απώλειες το χειμώνα και περισσότερα θερμικά κέρδη το καλοκαίρι, αφού αυξάνεται ο συνολικός συντελεστής θερμοπερατότητας των εξωτερικών τοίχων. Αφετέρου, συχνά η διείσδυση φυσικού φωτός στο εσωτερικό ενός κτιρίου συνεπάγεται και την είσοδο ηλιακής ακτινοβολίας, η οποία άλλοτε είναι επιθυμητή και άλλοτε όχι. Στην πρώτη περίπτωση εξοικονομείται ενέργεια, ενώ όταν είναι ανεπιθύμητη παρατηρείται αυξημένη λειτουργία των κλιματιστικών μονάδων. 15. Εξοικονόμηση ενέργειας μέσω της αντικατάστασης της ηλεκτρικής ενέργειας για φωτισμό.

5 Κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας Η ποσότητα της ηλεκτρικής ενέργειας που καταναλώνουν τα κτίρια για φωτισμό είναι σημαντική και εξαρτάται από τη χρήση του κτίσματος, τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά του, τα κλιματικά δεδομένα της περιοχής και τη συμπεριφορά των χρηστών. Από μελέτη προσομοίωσης που πραγματοποιήθηκε, προέκυψε ότι η ετήσια κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας για το φωτισμό ενός γραφείου 54 τ.μ. αποτελεί περίπου το 35% της συνολικής κατανάλωσης ενέργειας (για θέρμανση, δροσισμό και φωτισμό), είτεοχώροςβρίσκεταιστην Αθήνα, είτε στο Λονδίνο, είτε στην Κοπεγχάγη. 16

6 Συστήματα ελέγχου του τεχνητού φωτισμού Η αντικατάσταση του τεχνητού φωτισμού από φυσικό μπορεί να αποφέρει σημαντική εξοικονόμηση ενέργειας (της τάξης του 30 70%) όταν η ένταση των λαμπτήρων αυξομειώνεται σε σχέση με τα διαθέσιμα επίπεδα φυσικού φωτισμού στο χώρο. 17 Κάθε χώρος του οποίου τουλάχιστον ο μισός φωτισμός οφείλεται στο φυσικό φως για αρκετέςώρεςτηςημέρας, συμφέρει να ελέγχεται από σύστημα σύζευξης φυσικού / τεχνητού φωτισμού.

7 Το Φως ως φυσικό φαινόμενο

8 Ορισμός Ως φως ορίζεται το τμήμα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος στο οποίο είναι ευαίσθητο το ανθρώπινο μάτι. 18

9 Ιδιότητες 19

10 Ιδιότητες Οι τρεις βασικές κατηγορίες ανάκλασης του φωτός, ανάλογα με την επιφάνεια πρόσπτωσης 20

11 Φωτομετρικά μεγέθη 21

12 Φυσικό φως και κλιματικά δεδομένα Η ποσότητα του φυσικού φωτός σε μια τοποθεσία εξαρτάται κυρίως από το γεωγραφικό πλάτος και τους κυρίαρχους τύπους ουρανού στην συγκεκριμένη περιοχή. Επίσης, εξαρτάται, σε μικρότερο βαθμό, από την περιεκτικότητα της ατμόσφαιρας σε ρύπους. Τοποθεσίες με μικρότερο γεωγραφικό πλάτος δέχονται περισσότερο φως από αυτές με μεγαλύτερο Γ.Π., τόσο σε επίπεδο στιγμιαίων τιμών, όσο και σε επίπεδο αριθμού εργάσιμων ωρών που αξιοποιούν τη διαθεσιμότητα σε φυσικό φως. Παρόλο που το ετήσιο άθροισμα των ωρών με φυσικό φως είναι το ίδιο για κάθε τοποθεσία στον πλανήτη, η ύπαρξη φυσικού φωτός στις 12:00 το βράδυ είναι ουσιαστικά άχρηστη όταν οι εργάσιμες ώρες είναι π.χ. μεταξύ 9:00 και 18:00. 22, 23. Στην Αθήνα το 80% των εργάσιμων ωρών μεταξύ 8:00 και 14:00 αξιοποιεί εξωτερικά επίπεδα φωτισμού της τάξεως των lx περίπου, ενώ το 80% των αντίστοιχων ωρών στο Bergen της Νορβηγίας αξιοποιεί φωτισμό της τάξεως των 4.000lx περίπου.

13 Τύποι ουρανών Διεθνής Επιτροπή Φωτισμού (Commission International d Eclairage) 1955: Ορισμός νεφοσκεπούς ουρανού (CIE Overcast Sky) 1973: Ορισμός καθαρού ουρανού (CIE Clear Sky) 2003: 15 τύποι ουρανού 24

14 Φυσικό Φως και Ανθρώπινη Υγεία Έρευνες έχουν δείξει ότι ο οργανισμός χρησιμοποιεί τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος και κυρίως το φωτισμό για να επαναρυθμίσει τους κύκλους των περιοδικών του λειτουργιών ώστε αυτοί να έχουν 24ωρη διάρκεια όπως και η ημέρα (κιρκαδιανοί ρυθμοί). Η έκθεση σε υψηλές τιμές φωτισμού κατά τη διάρκεια της ημέρας βελτιώνει τη διάρκεια και ποιότητα του ύπνου. Η έκθεση σε υψηλές τιμές φωτισμού μειώνει τα συμπτώματα της εποχιακής κατάθλιψης. Οι εργαζόμενοι σε γραφεία με αρκετό φυσικό φως είναι αποδοτικότεροι σε σχέση με συναδέλφους τους σε γραφεία με λίγο φυσικό φως, γεγονός που πιθανώς σχετίζεται με τους κιρκαδιανούς ρυθμούς. 25

15 Κριτήρια Αξιολόγησης

16 Ποσοτικά κριτήρια Τα ποσοτικά κριτήρια του φωτισμού στα κτίρια αναφέρονται στις τιμές φωτισμού (lx) κυρίως για τεχνητό αλλά και για φυσικό φωτισμό, ή στον Συντελεστή Φυσικού Φωτισμού (%) για φυσικό φωτισμό, συνήθως στο επίπεδο εργασίας, δηλαδή σε ύψος 70 80εκ. από το δάπεδο. Ο Συντελεστής Φυσικού Φωτισμού (Daylight Factor) είναι ο λόγος του φωτισμού που δέχεται ένα σημείο του εσωτερικού χώρου (E i ), συνήθως στο ύψος του επιπέδου εργασίας, προς τον αντίστοιχο φωτισμό σε εξωτερικό ανεμπόδιστο σημείο (E o ) σε συνθήκες νεφοσκεπούς ουρανού, εκφρασμένος επί τοις εκατό. Σ.Φ.Φ. = E i / E o x 100 % 26

17 Ποσότητα φωτισμού στο εσωτερικό ενός χώρου Η ποσότητα του φυσικού φωτός σε ένα σημείο, και συνεπώς ο Σ.Φ.Φ., εξαρτάται από: το φως που προέρχεται απευθείας από τον ουρανό το φως που προέρχεται από ανάκλαση σε εξωτερικές επιφάνειες το φως που προέρχεται από ανάκλαση σε εσωτερικές επιφάνειες Σε ένα τυπικό χώρο με εξωτερικά εμπόδια, η συνεισφορά του εσωτερικά ανακλώμενου φωτός είναι ίδια σε όλο το βάθος του χώρου. Η συνεισφορά του εξωτερικά ανακλώμενου φωτός και αυτού που προέρχεται απευθείας από τον ουρανό μειώνονται όσο αυξάνει η απόσταση από το παράθυρο. 27

18 Ποιοτικά κριτήρια Κατανομή φυσικού φωτισμού στο επίπεδο εργασίας Όσο πιο ομοιόμορφη είναι η κατανομή του φωτισμού σε ένα χώρο, τόσο μειώνεται η τάση των χρηστών να χρησιμοποιήσουν τεχνητό φωτισμό. 28, 29

19 Ποιοτικά κριτήρια Αναλογίες λαμπρότητας Οι αναλογίες λαμπρότητας σε ένα χώρο αναφέρονται στις αντιθέσεις σε φωτεινότητα (κοντράστ) των γύρω επιφανειών. Για να επιτευχθούν άνετες αναλογίες και να αποφευχθούν πιθανά σημεία θάμβωσης είναι απαραίτητο να λάβει κανείς υπόψη όχι μόνο την ένταση και τη θέση των φωτεινών πηγών, αλλά και τις ανακλαστικότητες των γύρω επιφανειών (οροφή, τοίχοι, δάπεδο, έπιπλα). Ως γενικός κανόνας, προτείνονται οι παρακάτω συντελεστές ανάκλασης: οροφή 70 85% κατακόρυφες επιφάνειες 40 70% δάπεδο 15 40% 30

20 Ποιοτικά κριτήρια Θάμβωση Σύμφωνα με τη Διεθνή Επιτροπή Φωτισμού, θάμβωση είναι η έλλειψη οπτικής άνεσης ή η μείωση της ικανότητας να διακρίνονται οι λεπτομέρειες των αντικειμένων. Διακρίνονται δύο είδη θάμβωσης: άμεση (ή απευθείας) καιέμμεση Η άμεσηθάμβωση προκαλείται από φωτεινές πηγές, φυσικές ή τεχνητές, που είναι άμεσα ορατές. Όσο κεντρικότερα στο οπτικό πεδίο βρίσκεται η φωτεινή πηγή, τόσο πιθανότερο είναι να αποτελέσει πηγή θάμβωσης. 31

21 Ποιοτικά κριτήρια Η έμμεση θάμβωση διακρίνεται σε ανακλώμενη θάμβωση και θάμβωση «πέπλου». Η ανακλώμενη θάμβωση προκαλείται από έντονα λείες και γυαλιστερές επιφάνειες οι οποίες στην ουσία αναπαράγουν τη φωτεινή πηγή της οποίας το φως ανακλούν. Από την άλλη, όταν η λεία και γυαλιστερή επιφάνεια βρίσκεται στο επίπεδο εργασίας προκαλείται έμμεση θάμβωση «πέπλου» γιατί μειώνεται η αντίθεση μεταξύ του ανοιχτόχρωμου χαρτιού (άμεσου περιβάλλοντος) και των γραμμάτων, με αποτέλεσμα τη δυσκολία στην ανάγνωση, σαν να υπάρχει ένα πέπλο μπροστά στα μάτια

22 Ποιοτικά κριτήρια Τρόποι αντιμετώπισης της θάμβωσης: Η μείωση της λαμπρότητας του ουρανού (π.χ. μέσω σκιάστρων ή ειδικών υαλοστασίων) Η μείωση της αντίθεσης σε φωτεινότητα (κοντράστ) μεταξύ ουρανού και κουφωμάτων εσωτερικών τοίχων Η μείωση του ορατού τμήματος του ουρανού από το εσωτερικό του χώρου Φωτεινές πηγές σε γωνία μεγαλύτερη των 50 σε σχέση με την ευθεία της όρασης (σε οριζόντιο επίπεδο) δεν επηρεάζουν το δείκτη θάμβωσης φυσικού φωτισμού. Έτσι, η τοποθέτηση των θέσεων εργασίας σύμφωνα με αυτό το κριτήριο αποτελεί έναν από τους πιο αποτελεσματικούς τρόπους αντιμετώπισης της θάμβωσης.

23 Εξελιγμένες φωτο ενισχυτικές τεχνικές

24 Πρισματικοί υαλοπίνακες Οι πρισματικοί υαλοπίνακες είναι λεπτές, επίπεδες πριονωτές διατάξεις, κατασκευασμένες από καθαρό ακρυλικό. Συνήθως είναι σταθερές, ανάμεσα σε δύο απλούς υαλοπίνακες για να προστατεύονται από τη σκόνη. Η λειτουργία των πρισματικών υαλοπινάκων στηρίζεται σε δύο φυσικά φαινόμενα, τη διάθλαση του φωτός (στην ανώτερη πλευρά της πριονωτής επιφάνειας) και την ολική ανάκλασή του (στην εσωτερική επιφάνεια του πρίσματος). 34,35. Οι πρισματικοί υαλοπίνακες απορρίπτουν ή ανακατευθύνουν το φως, ανάλογα με τις ανάγκες του χώρου.

25 Ανειδολικά συστήματα οροφής Τα ανειδωλικά συστήματα οροφής χρησιμοποιούν τις οπτικές ιδιότητες σύνθετων παραβολικών διατάξεων που συγκεντρώνουν διάχυτο φωτισμό από το ανώτερο (και φωτεινότερο) τμήμα του ουράνιου θόλου. Το φως που συλλέγεται μεταφέρεται προς το βάθος του χώρου μέσω ενός κατοπτρικού αγωγού και στη συνέχεια αποδίδεται στους χρήστες με τη βοήθεια μιας επίσης ανειδωλικής διάταξης η οποία λειτουργεί αντίστροφα από την πρώτη (την εξωτερική), «αποσυγκεντρώνοντας» το φως 36,37. Σχηματική λειτουργία ανειδολικού συστήματος οροφής και πειραματική διάταξη στη Λωζάνη της Ελβετίας.

26 Φωτοσωλήνες

27 Ράφια φωτισμού (light shelves) 41 Τοποθετούνται σε νότια, κυρίως, ανοίγματα για να ενισχυθεί το φυσικό φως στο βάθος των χώρων. Ιδανικό ύψος: περίπου στα 2,00 μ. από το δάπεδο. Χαμηλότερα μπορεί να αποτελέσουν πηγή θάμβωσης για τους χρήστες, ενώ σε ψηλότερη θέση μειώνεται η απόδοσή τους. Χρησιμεύουν και ως σκίαστρα, αλλά συνήθως απαιτείται επιπρόσθετος σκιασμός (π.χ. περσίδες ηλιοπροστασίας) Συνήθως κατασκευάζονται από αλουμίνιο, με έντονα ανακλαστική την ανώτερη επιφάνεια. Μία κλίση περίπου 20 αυξάνει σημαντικά την απόδοσή τους. Μπορούν να είναι είτε εξωτερικά, είτε εσωτερικά, είτε συνδυασμός των δύο. Γιαναεξασφαλιστείηαπόδοσήτουςθαπρέπεινα προηγηθεί μελέτη σε ειδικό λογισμικό (π.χ. RADIANCE) όπου θα καθοριστεί το βέλτιστο πλάτος, η κατοπτρικότητα κ.ο.κ.

28 Εργαλεία πρόβλεψης 1) Απλοποιημένα σχεδιαστικά εργαλεία και μαθηματικοί τύποι 2) Φυσικά μοντέλα υπό κλίμακα (μακέτες) 3) Εξελιγμένα προσομοιωτικά λογισμικά.

29 Απλοποιημένα σχεδιαστικά εργαλεία και μαθηματικοί τύποι Μαθηματικός τύπος του Lynes για τον υπολογισμό του μέσου Συντελεστή Φυσικού Φωτισμού Μοιρογνωμόνια του BRE 42 43

30 Φυσικά μοντέλα (μακέτες) Πλεονεκτήματα : Υπάρχει μεγάλη εξοικείωση των αρχιτεκτόνων με την κατασκευή μακετών Μπορεί να μελετηθεί οποιαδήποτε γεωμετρία χώρου καθώς και διάφορα υλικά, χρώματα, έπιπλα κτλ. Δίνεται η δυνατότητα μελέτης τόσο των ποσοτικών όσο και των ποιοτικών κριτηρίων (με τη χρήση π.χ. φωτογραφικής μηχανής και επεξεργασίας των φωτογραφιών) Μειονεκτήματα: Η κατασκευή τους είναι σχετικά ακριβή (κυρίως σε σχέση με το κόστος του λογισμικού) Αλλαγές γίνονται δυσκολότερα και πιο αργά από ότι σε ένα λογισμικό Για να υπάρξει ακρίβεια στα αποτελέσματα είναι απαραίτητη η χρήση ειδικών μετρητικών οργάνων, όπως φωτόμετρο ή σπεκτροφωτόμετρο, ώστε να επιτυγχάνεται η ορθότητα των τιμών ανακλαστικότητας ή/και κατοπτρικότητας των χρησιμοποιούμενων υλικών.

31 Φυσικά μοντέλα (μακέτες) σε Τεχνητό Ουρανό 44

32 Φυσικά μοντέλα (μακέτες) σε πραγματικές συνθήκες 46α 45 46β

33 Εξελιγμένα λογισμικά Δεν υπάρχει το τέλειο λογισμικό προσομοίωσης του φωτισμού, αλλά υπάρχουν πολύ καλά λογισμικά για συγκεκριμένους στόχους , 49. Κατανομή φωτισμού επιφάνειας σε μια σχολική αίθουσα: σε προοπτικό (RADIANCE) και κάτοψη (ECOTECT v5.2)

34 Γενικές αρχές αξιοποίησης του φυσικού φωτισμού στα κτίρια

35 Οπροσανατολισμός. Νότιος προσανατολισμός: αρκετά καλός ως προς τη διαθέσιμη ποσότητα φυσικού φωτός, ιδιαίτερα τη χειμερινή περίοδο. Τηθερινήπερίοδο, όμως, λόγω της υψηλής λαμπρότητας που παρατηρείται στις Μεσογειακές χώρες και τη συνεχή μεταβολή της στάθμης του φωτισμού, εάν δε συνδυαστεί με κατάλληλη σκίαση, μπορεί να προκαλέσει προβλήματα ανισοκατανομής και θάμβωσης.. Ο δεύτερος καλύτερος προσανατολισμός, σε σχέση με το φυσικό φωτισμό του χώρου, είναι ο βορινός, εξαιτίας της σταθερότητας του φωτός στη διάρκεια της ημέρας, και του μειωμένου κινδύνου για θάμβωση. Ειδικότερα, προτιμάται για τους εκθεσιακούς χώρους και τα μουσεία επειδή δεν υπάρχει κίνδυνος καταστροφής των εκθεμάτων από την υπεριώδη ακτινοβολία.. Οι χειρότεροι προσανατολισμοί, σε σχέση με το φυσικό φως, είναι ο ανατολικός και ο δυτικός, γιατί δέχονται ανομοιογενή κατανομή της ακτινοβολίας (μειωμένη ακτινοβολία τη μισή μέρα), τόσο ημερήσια όσο και διεποχιακή (μεγαλύτερη ποσότητα το καλοκαίρι και μικρότερη το χειμώνα). Το σημαντικότερο όμως πρόβλημα είναι ότι η χαμηλή θέση του ήλιου στον ανατολικό και δυτικό προσανατολισμό δημιουργεί έντονα προβλήματα θάμβωσης

36 Το σχήμα του κτιρίου Πλήρως φωτιζόμενη ζώνη (51%) Μερικώς φωτιζόμενη ζώνη (33%) Ζώνη χωρίς φυσικό φωτισμό (16%) Πλήρως φωτιζόμενη ζώνη (100%) Πλήρως φωτιζόμενη ζώνη (59%) Μερικώς φωτιζόμενη ζώνη (41%) Ζώνη χωρίς φυσικό φωτισμό (0%) Πηγή:

37 Ανοίγματα οροφής Πηγή:

38 Ανοίγματα οροφής σε συνδυασμό με τυπικά ανοίγματα Πηγή:

39 Παραδείγματα «έξυπνων» αρχιτεκτονικών χειρισμών σχετικά με την αξιοποίηση του φυσικού φωτισμού

40 Αίθριο σε μουσείο Μουσείο Guggenheim στη Ν. Υόρκη (F.L. Wright) 50

41 Αίθριο σε χώρο εκπαίδευσης Πανεπιστημιακό κτίριο στη Γενεύη 51 52

42 Ανοίγματα οροφής Terminal 3 του αεροδρομίου της Στουτγκάρδης (Von Gerkan Marg und Partner) 53

43 Αίθριο φωταγωγός σε υπόγειο χώρο Εστιατόριο στο Μουσείο Mercedes Benz στη Στουτγκάρδη (UN Studio Ben van Berkel) 54

44 Μεγάλεςγυάλινεςεπιφάνειεςσε μεγάλο χώρο συνάθροισης κοινού Γυάλινη πυραμίδα στο Μουσείου του Λούβρου (I.M.Pei) 55

45 Κατακόρυφα ανοίγματα οροφής Κτίριο Γραφείων στη Μαδρίτη (Metropoli Design Laab & Taler de Ideas Angel De Diego) 56

46 Οριζόντια ανοίγματα οροφής Αεροδρόμιο Barajas στη Μαδρίτη (Richard Rogers Partnership) 57

47 Ανοίγματα οροφής + αμφίπλευρος φωτισμός σχολικής αίθουσας Κολλέγιο La Vanoise στη Γαλλία (Σύμβουλοι φυσικού φωτισμού: Christine Badinier and Marc Fontoynont)

48 Άνοιγμα οροφής πάνω από κεντρικό διάδρομο Σωφρονιστικό Ίδρυμα στο Βερολίνο (Joachim Ganz and Walter Rolfes) 61

49 Πλευρικοί φεγγίτες Βυζαντινό Μουσείο Θεσσαλονίκης (Κ. Κρόκος) 62 Αντικαρκινικό κέντρο Wisconsin στις Η.Π.Α. 63

50 Αίθριο και άνοιγμα οροφής σε κτίριο υγείας Wellspring Medical Center, Η.Π.Α

51 Κέντρο αποκατάστασης ΑΜΕΑ Sarah Lago Norte στην Μπραζίλια 67

52 Φυσικός φωτισμός κτιρίων σε μεσογειακό κλίμα: Ιδιαίτερα αξιοποιήσιμος. Έμφαση θα πρέπει να δίνεται στην ομοιομορφία της κατανομής του (βλ. σχήμα κάτοψης, θέση, μέγεθος και προσανατολισμός ανοιγμάτων) Προσοχή στη θάμβωση! Επαρκής σκίαση όπου και όταν απαιτείται!