Wymagania, atesty i informacje dotyczące projektowania
Ochrona przed upałem w okresie letnim i dostarczenie naturalnego światła dziennego nabiera coraz większego znaczenia ze względu na coraz częstsze fale upałów, konieczność obniżenia kosztów klimatyzacji i oświetlenia oraz rosnące wymagania dotyczące komfortu.
Poza stroną techniczną i energetyczną, nowe wyniki badań wyraźnie pokazują ogromny wpływ naturalnego oświetlenia dziennego na zdrowie fizyczne i psychiczne ludzi.
Rys. 1 Warunki energetyczne i parametry szyb izolacyjnych
Badania medyczne pokazują, że światło dzienne reguluje metabolizm, hamuje produkcję melatoniny (hormonu snu), aktywuje „hormony dobrego nastroju”, takie jak serotonina i noradrenalina, poprawia układ odpornościowy, kontroluje rytm snu/budzenia oraz zwiększa efektywność/wydajność pracy i nauki.
W związku z tym wszystkie aspekty energetyczne i budowlane powinny znaleźć się na „drugim miejscu“. Ale oczywiście nie należy zapominać o właściwej ochronie przeciwsłonecznej – aby uniknąć uciążliwego wpływu oślepiania (glare, blendung) przez intensywne promienie słoneczne oraz przegrzewania pomieszczeń w lecie (ochrona przed efektem szklarniowym we wnętrzach budynków).
Projektowanie i realizacja ochrony przed słońcem oraz doprowadzenie odpowiedniej ilości światła dziennego należą zatem do najbardziej wymagających zadań planistycznych, choć często są niedoceniane przez właścicieli budynków i architektów.
1 Informacje dotyczące projektowania
Relacje między ochroną przed przegrzewaniem pomieszczeń w lecie i zbyt intensywnymi promieniami słonecznymi (przed ciepłem i rażącym słońcem), a korzystnym wykorzystaniem światła dziennego są przeciwstawne.
W sezonie grzewczym współczynnik przenikania energii przez oszklenie (wartość g) powinien być większy niż 60%, jest to potrzebne/konieczne, aby optymalnie wykorzystać pasywne zyski energii cieplnej z promieniowania słonecznego. Natomiast latem zalecana jest niska wartość g, aby uniknąć przegrzania pomieszczeń.
Zadanie projektanta polega teraz na optymalnym wykorzystaniu światła słonecznego i jednocześnie zapobieganiu przegrzewania się pomieszczeń. Konieczna jest skuteczna ochrona przeciwsłoneczna.
Do analizy/oceny tego, czy dany wyrób spełnia powyższe wymagania architekt i projektant branżowy potrzebują informacji o odpowiednich parametrach technicznych (całkowita przepuszczalność energii g, przepuszczalność światła, odporność na obciążenie wiatrem itp.). Pozwolą one sprawdzić czy spełnione są wymagania normatywne i prawne oraz oczekiwania użytkowników odnośnie funkcjonalnej i energooszczędnej fasady budynku.
Należy wziąć pod uwagę następujące czynniki:
- wykorzystanie energii słonecznej zimą (pasywne pozyskiwanie ciepła z promieni słonecznych),
- redukcję promieniowania słonecznego docierającego w lecie do pomieszczeń zapewniającą komfortowe temperatury wewnętrzne,
- wystarczającą ilość światła dziennego we wnętrzach, aby ograniczyć czas korzystania ze sztucznego oświetlenie,
- ochronę przed odblaskami (od ekranów) i oślepianiem (unikanie bezpośredniego przenikania przez szyby okienne intensywnych promieni słonecznych), szczególnie w przypadku pomieszczeń ze stanowiskami komputerowymi,
- ochronę prywatności w nocy (odwrotny efekt lustra weneckiego),
- niezakłócony widok z wnętrza na zewnątrz.
Okna i fasady, a szczególnie urządzenia do ochrony przeciwsłonecznej, muszą „reagować“ na dzienne i sezonowe wahania promieniowania słonecznego, aby zapewnić komfortowy klimat we wnętrzach zarówno w lecie, jak i w zimie. Systemy nieruchome (statyczne) nie są w stanie tego optymalnie zrobić, ponieważ nie reagują dynamicznie (odpowiednio różnie), aby dostosować się do zmieniających się warunków atmosferycznych (w zależności od pory dnia czy pory roku).
Dlatego też w budownictwie mieszkaniowym przydatne są - w przypadku nieobecności użytkowników - automatyczne systemy sterowania, które reagują samoczynnie - na podstawie zaprogramowanych zaleceń (np. o godzinie 10.00 „podnieś rolety“) lub bieżących wskazań czujników (np. nasłonecznienia, deszczu, wiatru).
Systemy te prowadzą do poprawy efektywności energetycznej budynku i zapewniają komfort życia domowników. Jednocześnie automatycznie podnoszone rolety lub żaluzje mogą symulować obecność mieszkańców w celu odstraszenia potencjalnych intruzów – mogą wiec stanowić cześć systemu ochrony przed włamaniem.
Rys. 2 Paradoksalne /sprzeczne wymagania dotyczące szkła, okien i fasad
Tabela 1 Charakterystyka różnych systemów zacienienia/ochrony przeciwsłonecznej
| Schemat działania | Ochrona przed słońcem | Zalety | Uwagi/Zalecenia |
 |
na zewnątrz - nieruchoma (stałe listwy/lamele, „łamacze światła“, żagle przeciwsłoneczne itp.) |
- niska wartość g (<0,20) |
- tylko ograniczona adaptacja do zmian dziennych/sezonowych |
 |
na zewnątrz - ruchoma (żaluzje, okiennice, rolety itp.) | - niska wartość g (<0,20)
- zmienne wykorzystanie światła dziennego |
- ograniczona funkcjonalność przy dużym obciążeniu wiatrem i dużej wysokości budynku - czyszczenie filigranowych elementów jest czasochłonne - oznaczenie CE zgodnie z EN 13659 |
 |
wewnątrz - ruchoma
(żaluzje, zasłony, rolety itp.) |
- niska wartość g (<0,20) - zmienne wykorzystanie światła dziennego - dostosowanie do potrzeb użytkownika - funkcjonalne nawet przy dużych obciążeniach wiatrem i dużych wysokościach budynków - zmienne wykorzystanie światła dziennego - dostosowanie do potrzeb użytkownika - Łatwa instalacja i integracja w oknach i fasadach |
- niska skuteczność ochrony przed upałem w lecie - czyszczenie filigranowych elementów jest czasochłonne - wpływ na wystrój wnętrz - podwyższona temperatura powierzchni osłony od strony pomieszczenia - EN 13120 (brak oznaczenia CE) |
 |
na zewnątrz - statyczna (szyby przeciwsłoneczne |
- Możliwa niska wartość g (0,20-0,50) |
- brak odblasków (niekiedy konieczna dodatkowa ochrona |
 |
na zewnątrz |
- zmienna - brak przeszkód /zniekształcenia w widoku zewnętrznym |
- ograniczona funkcjonalność przy dużym obciążeniu wiatrem i wysokości budynku - oznaczenie CE zgodnie z EN 13561 |
 |
w przestrzeni międzyszybowej szyb zespolonych wielowarstwowych (komorowych) (rolety, żaluzje itp.) | - niska wartość g (<0,20) - funkcjonalne nawet przy dużym obciążeniu wiatrem i wysokości budynku - zmienne wykorzystanie światła dziennego - dostosowanie do potrzeb użytkownika - nie trzeba czyścić osłony przeciwsłonecznej - łatwa instalacja i integracja w oknach i fasadach |
- wymiana możliwa tylko jako kompletny egzemplarz (szyba łącznie z żaluzją wewnątrzszybową) |
Szyby przeciwsłoneczne (z odpowiednimi powłokami funkcyjnymi) to najczęściej systemy statyczne (choć dostępne są też z szyby o zmiennej przezierności), które mają swoje wady i zalety w zależności od określonych wymagań.
Dlatego w przypadku szyb przeciwsłonecznych, zalecane jest współpraca z ruchomymi (regulowanymi) urządzeniami przeciwsłonecznymi, ponieważ szyby przeciwsłoneczne (szczególnie z powłokami refleksyjnymi) mogą również służyć jako ochrona przed oślepieniem (przy niezakłóconym widoku na zewnątrz).
Jest to możliwe dzięki funkcji inteligentnego sterowania, która sprawdza się w obu elementach - szybach przeciwsłonecznych i ruchomych osłonach przeciwsłonecznych.
Projektant musi przeanalizować odpowiednio - wymagania i ograniczenia systemów. W tabeli 1 przedstawiono podstawowe właściwości różnych urządzeń zacieniających i dostarczono praktycznych informacji dotyczących projektowania.
Rys. 3 Olśnienie/oślepienie pomimo osłony przeciwsłonecznej
2 Obliczenia i parametry ochrony przeciwsłonecznej
Skuteczność ochrony przeciwsłonecznej zależy od kilku wartości:
- całkowitej przepuszczalności energii g,
- przepuszczalności światła τv,
- selektywności (stosunek τv i g),
- współczynnika przenikania ciepła Ug,
- projektowania zacienienia (opisane parametrem gtotal).
Producenci często podają jedynie współczynnik redukcji Fc zamiast gtotal, który nie jest statyczny, ale zależny od oszklenia. W uproszczeniu, gtotal można wyznaczyć mnożąc Fc przez wartość g. Jeśli znany jest współczynnik/ stopień odbicia lub przepuszczania osłony przeciwsłonecznej, wartość Fc można dokładniej określić za pomocą prostej grafiki.
Różnica pomiędzy tymi dwoma metodami wyznaczania jest szczególnie istotna w przypadku dużych powierzchni szklanych na fasadach oraz efektywnego projektowania systemu klimatyzacji w budynkach biurowych i administracyjnych.
W celu wstępnego, przybliżonego oszacowania i projektowania, ift Rosenheim opracował proste diagramy/wykresy w celu określenia współczynnika redukcji Fc (rys. 4 i 5).
Rys.4 Wyznaczanie współczynnika redukcji Fc dla wewnętrznej osłony przeciwsłonecznej
Rys. 5 Wyznaczanie współczynnika redukcji Fc dla zewnętrznej osłony przeciwsłonecznej
3 Normatywne przepisy dotyczące ochrony przed upałem w lecie
Minimalne wymagania dotyczące ochrony przed przegrzewaniem (upałem) w lecie dotyczą wszystkich pomieszczeń z podwyższoną temperaturą (≥19°C).
Wymagania te są sformułowane w rozporządzeniu o oszczędzaniu energii (EnEV) - dotyczą nowych budynków, rozbudowy i nowych części budynków w rozumieniu EnEV i muszą być zweryfikowane zgodnie z DIN 4108-2.
Norma DIN 4108-2 oferuje uproszczoną metodę (metoda określenia parametrów wchodzącej energii słonecznej lub metoda Sx), a także dynamiczną symulację budynku, która działa z określonymi parametrami i warunkami brzegowymi. Podczas projektowania można również wziąć pod uwagę chłodzenie i wentylację nocną.
W wyniku korekty w ostatniej aktualizacji normy procedura uproszczona i symulacja osiągają podobne wyniki. W przypadku większych powierzchni okien istnieje teraz „bardziej rygorystyczna” ocena, dzięki czemu wymagane są bardziej skuteczne środki ochrony przeciwsłonecznej niż wcześniej. W niektórych przypadkach wymagane są szyby przeciwsłoneczne plus dodatkowe urządzenia przeciwsłoneczne, czasami nawet w połączeniu ze zwiększoną wentylacją nocną i/lub chłodzeniem pasywnym.
Przykładowe obliczenia dla typowego, prostego budynku niemieszkalnego pokazują, że pomimo szyb przeciwsłonecznych o współczynniku g równym 31%, dopiero po uwzględnieniu dodatkowej zewnętrznej osłony przeciwsłonecznej, wymagania normy DIN 4108-2 dla budynku przedstawionego na rys. 6 zostają dopiero spełnione. Symulacja termiczna budynku będzie zatem coraz bardziej powszechną metodą w budownictwie niemieszkalnym.
Wartości odniesienia dla współczynnika redukcji Fc osłon przeciwsłonecznych zamieszczone w tabeli 7 normy DIN 4108-2 rozróżniają szyby podwójne i potrójne (jedno-i dwukomorowe), ale nie dotyczą szyb przeciwsłonecznych. Podane wartości Fc dla urządzeń przeciwsłonecznych w połączeniu z podwójnymi szybami mogą być stosowane do zewnętrznych systemów przeciwsłonecznych, ale wartości Fc dla wewnętrznych / zintegrowanych urządzeń przeciwsłonecznych z szybami przeciwsłonecznymi są zbyt wysokie. Dlatego w projektowaniu należy uwzględnić zmniejszenie współczynnika redukcji o 5%.
Konkretne specyfikacje producenta dotyczące wartości gtotal prowadzą do wyraźnie lepszych wyników i dlatego są zalecane do przeprowadzenia analizy (wdrożenia). Często nie bierze się pod uwagę, że wartość Fc istotna dla wymiarowania zależy od kombinacji szkła i osłony przeciwsłonecznej. Często wartości Fc są „przesadnie ograniczane“ (nadmierna ostrożność), co w praktyce często prowadzi do nieprawidłowego projektowania w przypadku większych powierzchni szklanych. W odniesieniu do wartości Fc możliwe są odchylenia (różnice) do 20% przy zewnętrznej osłonie przeciwsłonecznej.
Automatyczne systemy kontroli zacieniania mogą zmniejszyć potrzebę chłodzenia. W praktyce systemy te często nie działają zgodnie z oczekiwaniami, ponieważ centralny system sterowania nie spełnia w wystarczającym stopniu indywidualnych potrzeb ludzi i nie jest akceptowany, zwłaszcza w przypadku zmieniających się wymagań w biurze. Rozproszony system sterowania – gdzie jeden element sterujący/kontrolny przypada na jeden element przeciwsłoneczny daje lesze wyniki/korzyści.
Tabela 2 Przykładowe obliczenia dla budynku niemieszkalnego metodą uproszczoną Sx
Rys. 6 Geometria budynku z pomieszczeniem „krytycznym/najgorszym“ do analiz/obliczeń w Tabeli 2
Rys. 7 Oświetlenie (np. w sali lekcyjnej) można dobrze regulować przy wystarczającej ilości światła dziennego za pomocą systemów sterowania oświetleniem (ustawienie kąta nachylenia listew żaluzji okiennych); na górze: bez listew, w środku: odblask w okolicy listew żaluzji, na dole: optymalne oświetlenie (zdjęcia: alware - biuro inżynierskie fizyka budowli i symulacje budynku, Brunszwik/Braunschweig)
4 Ochrona przed odblaskami / oślepianiem i kontrola dopływu światła dziennego
Oprócz kryteriów termicznych, jakość światła jest drugim ważnym czynnikiem przy planowaniu okien i fasad. Oświetlenie na wolnym powietrzu (w plenerze) rozprasza się bardzo silnie (od 5000 do ponad 100 000 luksów) i dlatego wymaga regulacji natężenia światła przechodzącego przez przeszkloną fasadę.
Niemniej jednak dzienny dopływ światła na poziomie co najmniej 5000 luksów osiągany jest przez 85% dni. To wystarczy do oświetlenia większości pomieszczeń, pod warunkiem, że nie ma zacienienia od sąsiednich budynków, wysokich drzew czy zabrudzenia przeszkleń.
Jako podstawę wstępnego planowania okien można przyjąć następujące zasady:
- przeszklenie neutralne kolorystycznie o przepuszczalności światła ok. 65 do 75%,
- pomieszczenia normalnie ukształtowane (proporcja szerokości do głębokość - ok. 1:2),
- szerokość frontu/przodu okna odpowiada mniej więcej szerokości pomieszczenia i powinna wynosić ok. 20% powierzchni pomieszczenia,
- szerokość i wysokość okien ok. 1,5 m do 2,5 m, wysokość attyki (ściany pod oknem) ok. 0,90 m i górna krawędź okna blisko sufitu; brak podziału szkła szprosami na mniejsze powierzchnie/płaszczyzny
- jak najmniej zacienienia przez inne budynki lub drzewa,
- zintegrowane planowanie ochrony przeciwsłonecznej, ochrony przed olśnieniem/oślepianiem i kontroli światła dziennego.
Doświadczone biura inżynierskie przeprowadzają bardziej precyzyjne projektowanie z symulacjami oświetlenia, które są przydatne w przypadku budynków niemieszkalnych, ponieważ często wystarcza kalkulacja poszczególnych pomieszczeń reprezentacyjnych.
Osłona przeciwsłoneczna często nie zapewnia całkowitej ochrony przed oślepianiem, ponieważ luminancja przy oknie przekracza 4000 cd/m². Dyskomfort wizualny może powstać nawet przy zamkniętej lub zbyt jasnej ochronie przed słońcem / olśnieniem, jeśli okna i fasady są bezpośrednio oświetlone przez słońce.
Oślepiania często można uniknąć tylko dzięki dodatkowej wewnętrznej osłonie przed oślepianiem/olśnieniem lub systemom zacieniającym z selektywnym kątem nachylenia, które blokują bezpośrednie promieniowanie słoneczne, ale nadal zapewniają wystarczającą ilość pośredniego i nieoślepiającego światła w pomieszczeniu. Połączenie ochrony przed przegrzewaniem pomieszczeń i oślepianiem jest idealne, szczególnie w przypadku stanowisk komputerowych.
W przypadku wymagających zadań/funkcji wizualnych (np. stanowiska biurowe) wymagane jest - zgodnie z normami - natężenie oświetlenia 500 lx. Odnosi się to do rzeczywistego zadania wzrokowego i nie bierze pod uwagę odkrycia trzeciego receptora światła na siatkówce, który wpływa na zegar biologiczny, aktywność mózgu, samopoczucie i zdrowie, i reaguje tylko przy natężeniu oświetlenia oka powyżej 1000 lx. W zasadzie zatem należy zapewnić jak najlepszy dopływ światła dziennego dla osiągnięcia pełni zdrowia i zdolności koncentracji.
Ta realizacja wymaga zupełnie nowej oceny „dobrego światła”, która musi uwzględniać następujące czynniki:
- ilość docierającego światła dziennego (transparentność szyb),
- jakość światła naturalnego (kolor, kierunek, dynamiczna zmiana),
- kierunek i rozkład światła dziennego w pomieszczeniu (iloraz światła dziennego1),
- warunki percepcji optycznej, olśnienie z promieni słonecznych docierających bezpośrednio, olśnienie/odblask z promieni odbitych,
- wizualne/optyczne odniesienie do świata zewnętrznego (przezroczystość szyb),
- ochronę przeciwsłoneczną (wartość g jako kluczowa wartość dla ochrony przed przegrzewaniem pomieszczeń),
- Indywidualną regulację osłon przeciwsłonecznych i wyłączanie sztucznego światła.
Rys. 8 Listwy żaluzji ustawiane selektywnie pod kątem mogą dobrze łączyć ochronę przed przegrzewaniem i przed oślepianiem oraz kontrolę światła dziennego (np. listwa Retroflex), źródło zdjęć: materiały konferencyjne ift z R + T 2012, Köster-Lichtplanung (planowanie oświetlenia)
5. Wnioski
Ochronę przed przegrzewaniem pomieszczeń i stnowisko pracy chronione przed oślepianiem (czyli oślepiającym działaniem intensywnych promieni słonecznych) można osiągnąć tylko w sposób energooszczędny i zrównoważony dzięki zintegrowanemu planowaniu.
Projektowanie rozwiązań umożliwiających dostęp światła dziennego można zoptymalizować dzięki symulacjom na etapie projektowania.
Sztuczne oświetlenie jest regulowane i dostosowywane do ilości dostępnego światła dziennego – więc kluczową zmienną pozostaje światło dzienne, które powinno być „najbardziej naturalne“ pod względem intensywności, kierunku i barwy światła.
Umożliwiają to systemy kierowania światłem dziennym, które optymalnie rozprowadzają docierające światło naturalne w głąb pomieszczenia - zwiększają komfort widzenia i obniżają koszty energii elektrycznej.
Zastosowanie systemów sterowanych automatycznie, na przykład „ przełączalnego“ szkła przeciwsłonecznego (switchable glass) lub innych szkieł o sterowanej zmiennej przezierności i planowanie związanej z nimi kontroli, muszą zawsze umożliwiać autonomiczną interwencję użytkownika.
Taką opcję należy zawsze uwzględniać przy planowaniu obiektów, przeszklonych elewacji i oświetlenia. Komfort cieplny jest możliwy również przy dużych powierzchniach szklanych, jeśli zostanie to uwzględnione w fazie planowania.
Przedstawicielem Instytutu ift Rosenheim w Polsce jest Andrzej Wicha:
Jürgen Benitz-Wildenburg ift Rosenheim
Manuel Demel ift Rosenheim
Literatura
[1] Informacje o naturalnym świetle dziennym w miejscu pracy - poprawiającym wydajność i warunki zdrowotne, BGI/GUV-I, luty 2009
[2] Dobre oświetlenie szkół i placówek oświatowych, Stowarzyszenie promujące dobre (naturalne) światło (Fördergemeinschaft Gutes Licht), Frankfurt
[3] Specjalistyczna karta informacyjna ift WA-21/1. Ochrona przed upałem w lecie; Uproszczone procedury weryfikacji i schematy. ift Rosenheim, wiosna 2017
[4] Ulotka VFF ES.04 „Ochrona przed upałem w lecie”, styczeń 2013
[5] www.sichere-schule.de. Niemieckie ustawowe ubezpieczenie wypadkowe, Berlin
[6] Elementarz dotyczący światła dziennego, Stowarzyszenie Ochrony przed światłem dziennym i zadymieniem (FVLR), Detmold, www.fvlr.de/tag_sichtmedizin.htm
[7] Publikacje i symulacje, alware, biuro inżynierskie fizyka budowli + symulacje budynku, Braunschweig
[8] Wytyczne budowania szkół modelowych - MSchulbauR, kwiecień 2009
[9] Rozporządzenie w sprawie pracy (ArbStättV), lipiec 2010
[10] DIN 4108-2:2013-02 Izolacja termiczna i oszczędność energii w budynkach - Część 2: Minimalne wymagania dotyczące izolacji termicznej
1Iloraz światła dziennego (symbol: D , jednostka:%) jest miarą podaży światła dziennego w pomieszczeniach w budynkach. Wskazuje stosunek natężenia oświetlenia E (mierzonego w luksach ) w pomieszczeniu
Całość artykułu w wydaniu drukowanym i elektronicznym
Inne artykuły o podobnej tematyce patrz Serwisy Tematyczne
Więcej informacji: Świat Szkła 7-8/2021
