Page 1

Fr ant i šekVaj kay

ST AVEBNÍ FYZI KA –Svět el nát echni kavt eor i i apr axi


PODĚKOVÁNÍ: Dovolte mi připojit poděkování za gramatickou korekci těchto textů Ing. Michaele Hláskové a Ing. Lence Gábrové, studentkám doktorského studijního programu Ústavu pozemního stavitelství, Fakulty stavební VUT v Brně.

STAVEBNÍ FYZIKA – SVĚTELNÁ TECHNIKA V TEORII A PRAXI Ing. František Vajkay, Ph.D. Vydala: Vysoké učení technické v Brně, Veveří 95, 602 00 Brno Jazykové úpravy: Ing. Michaela Hlásková, Ing. Lenka Gábrová Sazba a grafická úprava: Ing. František Vajkay, Ph.D. Kresba na obálce: Ing. František Vajkay, Ph.D. Návrh grafické úpravy obálky: Ing. Josef Remeš Počet stránek: 80 Vytiskla: Ing. Vladislav Pokorný – LITERA, Tábor 43c, 612 00 Brno První vydání, Brno 2014 ISBN 978-80-214-4880-3


Fakulta stavební Vysokého učení technického v Brně zahájila 1. 6. 2012 řešení projektu „OKTAEDR – partnerství a sítě stavebnictví“. Projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky a je zaměřen na tvorbu a udržování partnerské sítě. Tato síť bude vzájemně propojovat Fakultu stavební Vysokého učení technického v Brně, významná výzkumná a vývojová pracoviště, partnery z oblasti podnikatelského sektoru i oborová sdružení. Cílem sítě je umožnit rozšíření vzájemné spolupráce, vytvoření nových podmínek pro přenos teoretických i praktických znalostí a zkušeností mezi výzkumem a stavební praxí. Partnery projektu „OKTAEDR – partnerství a sítě stavebnictví“ jsou: o o o o o o o

MOTRAN Research, s. r. o., Českomoravský cement, a.s., Centrum dopravního výzkumu, v. v. i., OHL ŽS, a.s., Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava, ESOX, spol. s r.o., Svaz vodního hospodářství ČR.

Registrační číslo projektu:

CZ.1.07/2.4.00/31.0012

Název projektu: Realizace: Řešitel:

OKTAEDR – partnerství a sítě stavebnictví 1. 6. 2012 – 31. 5. 2014 Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební


OBSAH 1 ÚVOD.............................................................................................................8 2 SVĚTLO.........................................................................................................9 2.1

Teorie šíření světla.....................................................................................................9 2.1.1 Maxwellova vlnová teorie..............................................................................9 2.1.2 Částicová teorie...........................................................................................11

2.2

Zdroje světla.............................................................................................................12 2.2.1 Žhnutí vláken a rozžhavení těles..................................................................13 2.2.2 Slunce...........................................................................................................13 2.2.3 Atmosféra/obloha.........................................................................................14

2.3

Veličiny, jednotky a pojmy používané ve stavební světelné technice......................18 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 2.3.5 2.3.6 2.3.7 2.3.8 2.3.9 2.3.10

Zářivý tok....................................................................................................18 Relativní světelná účinnost..........................................................................18 Světelný tok..................................................................................................19 Svítivost........................................................................................................21 Jas................................................................................................................22 Osvětlenost...................................................................................................23 Pracovní rovina............................................................................................24 Činitel denní osvětlenosti.............................................................................24 Rovnoměrnost osvětlení...............................................................................25 Doba proslunění/oslunění............................................................................26

3 STAVEBNÍ SVĚTELNÁ TECHNIKA.........................................................27 3.1

Denní světlo ve stavebnictví....................................................................................27

3.2

Systémy denního osvětlení ve stavebnictví..............................................................28 3.2.1 Primární systémy denního osvětlení............................................................29 3.2.2 Sekundární zdroje denního světla................................................................30

4 VYHODNOCENÍ SVĚTELNĚ TECHNICKÝCH PARAMETRŮ V BUDOVÁCH................................................................................................33 4.1

Návrh denního osvětlení v budovách.......................................................................35 4.1.1 Požadavky norem z hlediska denního osvětlení...........................................35 4.1.2 Metody výpočtů............................................................................................38

4.2

Vyhodnocení proslunění a oslunění.........................................................................42 4.2.1 Požadavky norem z hlediska proslunění a oslunění.....................................42 4.2.2 Metody výpočtů............................................................................................44


5 PŘÍKLAD.....................................................................................................46 5.1

Popis navrhované stavby a jejího okolí....................................................................46

5.2

Vyhodnocení a posouzení proslunění a oslunění.....................................................48 5.2.1 Základní výpočty nezbytné pro sestrojení diagramu zastínění....................48 5.2.2 Postup sestrojení diagramu a posouzení proslunění:..................................50 5.2.3 Posouzení oslunění.......................................................................................55

5.3

Vyhodnocení a posouzení denního osvětlení v místnostech....................................58 5.3.1 Vzorce pro určení činitele denní osvětlenosti..............................................58 5.3.2 Postup výpočtu.............................................................................................63 5.3.3 Určení činitele denní osvětlenosti................................................................68

6 REFERENCE................................................................................................72 6.1

Knihy a další odborné publikace..............................................................................72

6.2

Články na konferencích a v časopisech...................................................................73

6.3

Zákony a normy.......................................................................................................73

6.4

Zdroje na webu.........................................................................................................74

7 PŘÍLOHY.....................................................................................................76 7.1

Daniljukův diagram pro půdorys.............................................................................76

7.2

Daniljukův diagram pro řez.....................................................................................77


1

ÚVOD

Denní světlo je jedním ze základních faktorů podmiňujících život na Zemi. Proměnlivost denního světla během dne ovlivňuje cirkadiální rytmy, návyky a náladu člověka, proto je v současnosti denní světlo významným faktorem vnitřního prostředí budov. Se snahou o využití denního světla se však v architektuře lze setkat již od dávných dob. V Římě byly stavěny obytné prostory se skleněnými okny, v Řecku byly budovy orientovány na jih, v Egyptě byly ostění a okenice otvorů pokovené, atd. (Moore, 1985). Průmyslová revoluce v 19. století však změnila většinu dříve užívaných zásad. Oproti tradičním materiálům jako jsou cihly, kámen a dřevo umožnil vývoj vysoce kvalitního železa a později oceli se zvýšenou pevností výrobu a použití štíhlých rámových konstrukcí s větším rozpětím a také tvorbu vnějších plášťů budov, které jsou schopny odolávat klimatickému zatížení působícímu na objekty. Architekti tak mohli tvořit téměř bez omezení. Větší rozpony sloupů dovolily navrhovat a realizovat větší osvětlovací otvory, což však způsobuje přehřívání vnitřních prostorů a oslnění. Následné zavedení umělého osvětlení umožnilo zvětšení hloubek místností. Architekti tak mohli navrhovat stavby, aniž by přemýšleli o energetické náročnosti, neboť ceny energií v té době byly nízké. V dnešní době je ovšem podstatné, aby bylo dosaženo optimálních podmínek mikroklimatu budov. To vede stavební inženýry a vědce k výzkumu nejnovějších technologií, které by mohli začlenit do návrhů nových budov. Množství světla, které dopadá do interiéru budovy, závisí na řadě faktorů, mezi které patří: lokalita, kde bude budova postavena; typ budovy, její konstrukční, dispoziční a funkční řešení; světelně technické vlastnosti povrchů a povrchových úprav, které budou použity v interiéru a exteriéru; a orientace osvětlovacích soustav. Každý z výše uvedených faktorů má vliv na návrh a tvorbu případových studií denního osvětlení a proslunění budov, které jsou prováděny například pomocí počítačových simulací, ručních výpočtů či měření na realizovaných stavbách. Tato příručka si klade za cíl přiblížit oblast stavební světelné techniky širší odborné veřejnosti z příbuzných oborů stavebnictví tak, aby přispěla k lepší orientaci při řešení konkrétních problémů ve stavební praxi. Příručka je zaměřena na výklad základních pojmů stavební světelné techniky, na výklad souvisejících legislativních požadavků a na způsoby řešení jednotlivých problémových oblastí. Publikace je v závěru doplněna o řešené praktické příklady, se kterými je možno se ve stavební praxi nejčastěji setkat. Řešené příklady jsou koncipované tak, aby je bylo možné co nejsnadněji ve stavební praxi aplikovat.

8


2

SVĚTLO

2.1 TEORIE ŠÍŘENÍ SVĚTLA Lidstvo bylo ovlivněno a okouzleno světlem již od počátku dějin, proto se architekti, vědci i filozofové snažili popsat nejenom jeho vlastnosti ale i charakter jeho chování v prostoru. Jedním z výsledků jejich výzkumu bylo zjištění, že se světlo pohybuje přímočaře ve svazcích (Sears, 1965). Později byly sepsány novější definice, které však byly téměř automaticky zavrhovány vědeckými komunitami, a to až do druhé poloviny 17. století, kdy došlo k formulaci vlnové teorie světla, která popisuje šíření světla pomocí odrazu. Nicméně tato teorie byla přijata vědeckou komunitou až na počátku 19. století s příchodem A. Fresnela, který pomocí měření vlnových délek prokázal, že difrakce (tj. ohyb světla na okrajích objektů) nastane, ale pouze v případě záření s krátkou vlnovou délkou. Druhým významným milníkem v dané oblasti bylo představení vlnové teorie J.C. Maxwella, který na základě měření provedených na elektromagnetických oscilačních obvodech dokázal určit také rychlost světla s vysokou přesností. Maxwellova teorie však byla uznána až poté, co H. Hertz zveřejnil výsledky svých experimentů na mikrovlnách. Hertz si totiž všiml podobnosti mezi chováním elektromagnetických a světelných vln. Vývoj oboru byl pak ovlivněn příchodem teorie relativity A. Einsteina, kterou dále rozvíjel a zkoumal M. Planck. Planck uvedl, že světlo je v prostoru distribuováno pomocí fotonů, a určil přímou závislost mezi energií a frekvencí fotonů. Následně A. H. Compton dokázal, že se fotony a světlo samo o sobě chovají jako elementy mající hmotnost a tedy i kinetickou energii, což se podobá dřívější korpuskulární teorii. V dnešní době je všeobecně známo, že světlo má dualistickou povahu a k jeho definování je nutné použít obě uznávané teorie. To znamená, že šíření světla je vysvětleno pomocí vlnové teorie a interakci světla s materiály a povrchy vysvětluje částicová teorie. (Horňák, 1989), (Ilkovič, 1962), (Sears, 1965). 2.1.1

Maxwellova vlnová teorie

Na základě Maxwellovy teorie lze světlo chápat jako elektromagnetické záření s určitou vlnovou délkou. Toto záření je složeno z elektrického a magnetického pole, které se šíří prostorem současně a kmitají v navzájem kolmých směrech (obrázek 1). Dnes je však již obecně známo, že interakci světla s jinými látkami je nutno popsat pomocí částicové teorie světla. Pokud tato pole oscilují harmonicky podél směru šíření, jedná se o monochromatické světlo. Za určitých okolností ale může dojít i k polarizaci světla. Vlastnosti světla mohou být odvozeny formou sinusové nebo kosinusové funkce elektrického C ( x ,t ) , případně magnetického pole B ( x , t ) .

9


Obr. 1. Elektrické a magnetické záření (Horňák, 1989)

[ { } ]

C ( x ,t ) =C m⋅sin ω⋅ t ±

kde je: C ( x ,t) Cm ω t xE v ς

xE v

(1)

okamžitá odchylka elektrických vln, [ - ] ; amplituda odchylky elektrických vln, [ -] ; úhlová frekvence, [ rad⋅s−1 ]; čas, [ s ] ; fázový posun, [ m ] ; rychlost šíření vln, [ m⋅s−1 ] ; počáteční fázový úhel, [ rad ] .

Avšak světelné vlny lze nejlépe charakterizovat za pomoci jejich vlnových délek a kmitočtů:

λ= ν f kde je: vlnová délka, [ m ]; ν frekvence kmitání, [ Hz ] . f

(2)

Zároveň platí, že fázová rychlost elektromagnetického vlnění závisí na vlastnostech prostředí, kterým vlna v daném okamžiku prochází. Tento jev je vyjádřen následujícím vztahem: 1 √ ε⋅μ kde je: permitivita prostředí, [ F⋅m−1 ] ; ε μ permeabilita prostředí, [ H⋅m−1 ]. v=

10

(3)


Ve výjimečných případech, kdy elektromagnetické záření prochází zvláštním prostředím, jakým je vakuum, lze rychlost elektromagnetických vln (a tedy i světla) vyjádřit vztahem 4: 1 c 0= ε ⋅μ √ 0 0

(4)

Proto lze okamžitou odchylku elektrického záření C ( x , t ) odvodit zjednodušením vztahu 1 (vztah 6), avšak za podmínek, že platí následující tvrzení: (5)

ω =2⋅π⋅f t x { [ T ∓ λ }]

C ( x , t ) =C m⋅sin 2⋅π⋅ kde je: T x λ

(6)

perioda, [ s ] ; vzdálenost mezi zdrojem a posuzovaným bodem, [ m ]; vlnová délka, [ m ] .

V rámci Maxwellovy vlnové teorie lze záření členit na rozhlasové a televizní vlny, mikrovlnné záření, optické záření (infračervené záření, viditelné světlo a ultrafialové světlo), dále na rentgenové a gama záření (Boyce, 2009), (Kuběna, 1994), (Rybár, 2002). Dané členění je známé pod názvem elektromagnetické spektrum nebo též Maxwellova duha. 2.1.2

Částicová teorie

Částicová teorie šíření světla je založena na vlastnostech subatomárních částic (konkrétně fotonů), dále na charakteru chování těchto částic při šíření světla. Každá částice má svou energii (vztah 7), která je závislá na frekvenci jejího kmitání. Proto lze částicovou teorii spojit i s Maxwellovou vlnovou teorií, ale částicová teorie se používá pro popis jevů, které nelze popsat pomocí elektromagnetického záření. Vlnové délky a energie fotonů včetně jejich členění v rámci spektru viditelného světla jsou zobrazeny v tabulce 1. (7) e p= H p⋅ f p kde je: energie fotonu, [ eV ] ; ep Planckova konstanta. Její poslední známá hodnota je Hp 4,135667516·10-15 eV⋅s (web:NASA, 1979); frekvence kmitání odpovídající elektromagnetickému záření, [ Hz ]. fp

11


Tab.1. Kmitočty a energie fotonů v optickém záření (Horňák, 1989), (Sears, 1965) Záření

Členění

Ultrafialové záření

UV-C UV-B UV-A Fialové Modré Zelené Žluté Oranžové Červené IR-A IR-B IR-C

Viditelné světlo

Infračervené záření

λ [nm] 100 280 315 380 435 500 566 600 630 780 1400 3000

-

eP [eV] 280 315 400 435 500 566 600 630 780 1400 3000 10000

12,40 4,43 3,94 3,26 2,84 2,48 2,19 2,07 1,97 1,59 0,89 0,41

-

4,43 3,94 3,10 2,84 2,48 2,19 2,07 1,97 1,59 0,89 0,41 0,12

2.2 ZDROJE SVĚTLA Zdroje světla tvoří důležitou kapitolu stavební světelné techniky, protože charakter světla určuje některé vlastnosti vnitřního prostoru spojené s viděním. Zdroje světla jsou definovány prostřednictvím dvou teorií: • první teorie stanovuje za zdroj světla element, který generuje světlo (Sears, 1965); • druhá teorie má svou podstatu v architektuře, proto dělí předměty na primární a sekundární zdroje světla. Primárními zdroji jsou ty, které světlo vytváří, zatímco sekundárními zdroji jsou elementy, které světlo odráží nebo propouští (Horňák, 1989), (TESNA, 2000). Stavební světelná technika mimo jiné rozlišuje zdroje podle jejich původu: • přírodní zdroje světla jako je např. Slunce, Měsíc, magma při výbuchu sopky, blesk nebo bioluminiscence organismů a rostlin.(viz obrázek 2).

Slunce

Světluška

Obr. 2. Přirozené zdroje světla (Vajkay, 2013), (web: Triplett)

12


• umělé zdroje světla jako jsou např. svíčky, krby, lampy využívající uhlovodíky pro svícení a dále moderní svítidla. Svítidla byla mnohdy založena na teorii žhnutí vláken (Boyce, 2009), (TESNA, 2000). V dnešní době se ale více využívají svítidla fungující na principu luminiscence, protože mají vyšší účinnost. 2.2.1

Žhnutí vláken a rozžhavení těles

Žhnutí je proces, při němž je světlo produkováno přeměnou energie. To znamená, že množství energie, které je absorbováno libovolnou hmotou v prostoru, je následně přeměněno na jinou formu energie v důsledku zvýšení pohybu atomů a jejich vzájemného působení ve hmotě, přičemž musí současně platit i to, že vstřebávané a vyzařované záření je v rovnováze. V procesu žhavení může být světlo produkováno obvykle pouze materiálem, který odolá teplotě 873 K (600 ° C ) nebo vyšší (TESNA, 2000). U jiných materiálů dojde pouze k emisi tepelného záření. Základní rovnice (vztah 8) popisující žhnutí byla zformulována M. Planckem v 19. století. Jednalo se o výsledek jeho experimentů provedených na absolutně černém tělesu (Horňák, 1989). ⋅( e

−5

c2 λ⋅θ

−1

−1 )

M e , λ ( λ ,T )=c 1⋅λ kde je: −2 M e , λ ( λ ,T ) spektrální emisivita materiálu, [W⋅m / μ m ] ; λ vlnová délka záření, [ m ]; θ teplota, [ K ] ; konstanta s hodnotou 3,742·10-16 W⋅m2 ; c1 konstanta s hodnotou 1,439·10-2 m⋅K . c2

(8)

Ze vztahu 8 lze postupně odvodit Stefanův- Boltzmannův zákon, na základě kterého je intenzita vyzařování absolutně černého tělesa přímo úměrná čtvrté mocnině jeho teploty (vztah 9). M e =σ⋅θ 4 =5,669⋅10−8⋅θ 4 2.2.2

(9)

Slunce

Slunce jako zdroj solárního záření představuje pro lidstvo nejznámější primární přírodní zdroj energie. Jedná se o hvězdu, která se nachází ve středu sluneční soustavy a kolem které obíhají planety včetně Země. Slunce vyzařuje energii v celém rozsahu elektromagnetického záření, což je výsledkem termonukleárních řetězových reakcí probíhajících v jádru Slunce. Určité množství takto vzniklého tepla je pak postupně přeneseno na vnější vrstvy 13


hvězdy do radiační a konvektivní zóny. Tvarem se Slunce blíží kouli a jeho viditelná část je tvořena fotosférou, chromosférou a sluneční korónou (vrstvy a zóny Slunce jsou popsány na obrázku 3). Fotosféra představuje téměř vrchní vrstvu Slunce, která se skládá z plynů v plazmatickém stavu. Pracovní teplota fotosféry je přibližně 6000 K (web:NASA, 1979) a její účinná teplota má zhruba 5778 K (web: Wikipedia, 2012).

Obr. 3. Vrstvy a zóny Slunce (web: NAOR)

K dalším důležitým charakteristikám Slunce patří: • průměr: cca 1,392·106 km ; • povrch: cca 6,0877·1012 km ; • hmotnost: 1,9891·1030 kg ; • průměrná vzdálenost od Země: 1,496·108 km ; • svítivost: 3,75·1028 lm ; • a solární světelná konstanta: 133 800 lx . 2.2.3

Atmosféra/obloha

V oblasti stavební světelné techniky je zemská atmosféra často mylně zaměňována s oblohou, která je sama o sobě součástí atmosféry. Přesněji lze uvést, že obloha se vytváří v atmosféře důsledkem rozptylu viditelného záření. To znamená, že atmosféru nebo alespoň její část lze chápat jako sekundární zdroj světla. Atmosféra vytváří vzdušný obal Země, který podmiňuje život na zemském

14


povrchu. Zemská atmosféra se skládá především z plynů, ale také z látek v kapalném a pevném skupenství (např. voda a ledové krystalky). Nejvíce zastoupenými plyny atmosféry jsou dusík a kyslík, dalšími významnými plyny jsou vodík, oxid uhličitý apod. Se zvětšující se vzdáleností mezi částicemi a zemským jádrem se snižuje možnost distribuce částic, což je dáno sílou gravitačního pole. Z tohoto důvodu je možné a nezbytné kategorizovat vrstvy atmosféry, z nichž dvě nejvýznamnější jsou: • Homosféra • Heterosféra Jak bylo zmíněno, obloha je výsledkem rozptylu světla v atmosféře, přesněji v troposféře, části homosféry, způsobeném částicemi vzduchu, vody a prachu a dalšími prvky, přičemž molekuly těchto elementů částečně absorbují, částečně odrážejí a částečně propouštějí viditelné záření. Tento jev vede ke vzniku jak modré jasné, tak i šedé zatažené oblohy (obrázek 4).

Obr. 4. Nerovnoměrně zatažená obloha (Vajkay, 2013)

Vzhledem k tomu, že obloha je vlivem měnící se skladby troposféry během dne proměnlivá, došlo na konci 20. století k rozsáhlému výzkumu, při němž byly stanoveny parametry a konstanty 15 skupin obloh. Jedná se o standardizované oblohy, které parametricky popsali jejich tvůrci Kittler a Darula (Darula, 2002), (Darula, 2009) a které byly převzaty i organizací CIE. V tabulce 2 jsou uvedeny parametry patřící k jednotlivým typům obloh, včetně jejich třídění na základě indikatrixu a gradace jasu (CIE DS 11.2/E, 2002).

15


Tab.2. Základní parametry a dělení obloh dle CIE Tř. Tř. Typ grad. ind.

Parametry gradace a

b

Parametry indikatrixu c

d

Popis distribuce jasu

e

1

I

1

4,0 -0,70 0,0

-1,0 0,00

2

I

2

4,0 -0,70 2,0

-1,5 0,15

3

II

1

1,1 -0,80 0,0

-1,0 0,00

4

II

2

1,1 -0,80 2,0

-1,5 0,15

5

III

1

0,0 -1,00 0,0

-1,0 0,00

6

III

2

0,0 -1,00 2,0

-1,5 0,15

7

III

3

0,0 -1,00 5,0

-2,5 0,30

8

III

4

0,0 -1,00 10,0 -3,0 0,45

9

IV

2

-1,0 -0,55 2,0

-1,5 0,15

10

IV

3

-1,0 -0,55 5,0

-2,5 0,30

11

IV

4

-1,0 -0,55 10,0 -3,0 0,45

12

V

4

-1,0 -0,32 10,0 -3,0 0,45

13

V

5

-1,0 -0,32 16,0 -3,0 0,30

14

VI

5

-1,0 -0,15 16,0 -3,0 0,30

15

VI

6

-1,0 -0,15 24,0 -2,8 0,15

Rovnoměrně zatažená obloha dle CIE Zatažená obloha se zvýšeným jasem v místě Slunce Zatažená obloha se sníženou gradací jasu k zenitu Zatažená obloha se zvýšeným jasem v místě Slunce a se sníženou gradací jasu k zenitu Obloha s jednotným jasem Částečně zatažená obloha se zvýšeným jasem v místě Slunce a bez gradace jasu k zenitu Částečně zatažená obloha se zřetelným jasem v místě částečně zastíněného Slunce a bez gradace jasu k zenitu Částečně zatažená obloha se zvýšeným jasem v okolí Slunce a bez gradace jasu k zenitu Částečně zatažená obloha se zastíněným Sluncem Částečně zatažená obloha se zřetelným jasem v okolí Slunce Bělomodrá obloha se zvýšeným jasem v okolí Slunce CIE Standardní jasná obloha s nízkým zákalem CIE Standardní jasná obloha s vyšším zákalem Bezoblačná obloha se značným zákalem Bezoblačná bělomodrá obloha s vyšším zákalem

Z uvedených patnácti typů obloh jsou z hlediska praxe stavební světelné techniky podstatné zejména dva typy obloh, a to: • rovnoměrně zatažená obloha dle CIE; • standardní jasná obloha dle CIE. V případě těchto dvou typů obloh totiž dochází ke dvěma limitním stavům, které jsou ověřovány ve stavební praxi, a to z hlediska: • denního osvětlení v budovách; • a proslunění a stínění. 16


Distribuce jasů rovnoměrně zatažené a jasné oblohy jsou znázorněny na následujícím obrázku.

CIE Rovnoměrně zatažená obloha CIE standardní jasná obloha Obr. 5. Distribuce jasů dvou z 15 standardizovaných obloh (web: Autodesk)

Další definice obloh jsou využívány především pro výzkumné účely, například pro vývoj oboru denního osvětlení budov. Parametry indikatrixu a gradace jasů lze za pomocí vztahů využívat k analýze distribuce jasů libovolné oblohy pro libovolný den a čas v průběhu roku. Taková distribuce je znázorněna na obrázku 6.

Obr. 6. Relativní distribuce jasu bělomodré oblohy se zvýšeným jasem v okolí Slunce při výšce Slunce nad horizontem 38,02° (Darula, 2002)

Rovnoměrně zatažená obloha dle CIE Rovnoměrně zataženou oblohu dle CIE lze popsat jako oblohu s gradací jasu od horizontu k zenitu 1:3 a to v případě tmavého terénu (vztah 10). Při světlém terénu je gradace jasu od horizontu k zenitu 1:2. Lγ

=

LZ kde je: Lγ LZ

1+2⋅sin γ 3

(10)

jas elementární plochy oblohy s výškovým úhlem γ , [ cd⋅m−2 ] ; jas oblohy v zenitu, [ cd⋅m−2 ] .

17


Globální horizontální osvětlenost E e pod rovnoměrně zataženou oblohou při tmavém terénu lze pak určit z jasu oblohy v zenitu (Rybár, 2002): 7 E e = ⋅LZ⋅π (11) 9 2.3 VELIČINY, JEDNOTKY A POJMY POUŽÍVANÉ VE STAVEBNÍ SVĚTELNÉ TECHNICE Kapitola se zabývá základními veličinami z oblasti fotometrie a stavební světelné techniky. Cílem je představit čtenářům svítivost, jas, činitel denní osvětlenosti atd. (Horňák, 1989), (Rybár, 2002), (ČSN EN 12665, 2003). 2.3.1

Zářivý tok

Zářivý tok je veličinou, která je používaná především v radiometrii, ale touto veličinou je možné také vyjádřit světelný tok. Zářivý tok je roven energii emitované zdrojem v rámci optického záření elektromagnetického pole (tj. ultrafialového záření, viditelného světla a infračerveného záření) za jednotkou času, což je vyjádřeno následujícím vztahem: Φe = kde je: dQe dt

dQ e

(12)

dt maximální energie vyzářená zdrojem, [ J ] ; doba trvání emise, [ s ] .

SI jednotkou zářivého toku je watt, [W ] . 2.3.2

Relativní světelná účinnost

Proces vidění je fotochemickou reakcí, ke které dochází v očích po jejich vystavení světlu (tj. viditelné části elektromagnetického záření), které prochází rohovkou, čočkou až na zadní část oka, kde jsou umístěny fotoreceptory. Fotoreceptory převedou a přenesou obrazový vjem ze sítnice do mozku pomocí nervových vzruchů. Fotoreceptory v očích člověka se dělí na: • tyčinky; • a čípky. V některých publikacích jsou mezi fotoreceptory zařazeny také takzvané gangliové buňky, které ovšem spíše než funkci fotoreceptoru mají na starost koordinaci funkce tyčinek a čípků.

18


Tyčinky jsou zodpovědné za monochromatické vidění, zatímco barevné vidění je zajištěno čípky. Citlivost tyčinek a čípků ovšem závisí na vlnové délce viditelného světla a mění se v celém svém rozsahu pro jednotlivé vlnové délky. Citlivost oka je nulová na koncích intervalu a vrcholu dosahuje kolem 555 nm při denním a blízko 507 nm při nočním vidění. Tyto údaje jsou základem spektrální analýzy citlivosti zraku, přesněji základem funkce spektrální citlivosti zraku. Průběhy spektrálních citlivostí jsou často používány v oboru elektrotechniky při návrhu a výrobě měřících aparatur. Funkce spektrálních citlivostí pro denní V ( λ ) a noční V ' ( λ ) vidění jsou znázorněny na obrázku 7.

Obr. 7. Křivky poměrné světelné účinnosti monochromatického záření lidského oka pro denní a noční dobu (Horňák, 1989)

2.3.3

Světelný tok

Světelný tok je součástí zářivého toku. Množství světelného toku může být vyjádřeno formou zářivého toku určeného v rámci intervalu viditelného světla a to buď pro denní vidění V ( λ ) , nebo pro noční vidění V ' ( λ ) . Světelný tok je tedy roven: 780

Φ v = K m⋅∫ Φ e , λ⋅V ( λ )⋅d λ

(13)

380

19


kde je: Km Φe , λ V (λ)

maximální světelná účinnost záření, [ lm⋅W −1 ]; zářivý tok pro vlnovou délku λ , [W ] ; hodnota poměrné světelné účinnosti monochromatického fotopického vidění, [ -] .

SI jednotkou světelného toku je lumen, [ lm] . Zjednodušením vztahu 13 může být světelný tok pro denní vidění přepsán do podoby váženého součtu výkonu při vlnových délkách viditelného světla pro lineární světelné spektrum (vztah 14). 780

Φ v =683⋅∑ Φ e , λ ( λ i )⋅V ( λ i )

(14)

380

Součásti světelného toku Světelný tok procházející rozhraním dvou prostředí je oslabován odrazem, absorpcí nebo prostupem (vztah 15) (Darula, 2009). Tyto složky světelného toku jsou znázorněny na obrázku 8. Φ v =Φ v , ρ +Φ v , α +Φv , τ kde je: Φ v , ρ odražená složka světelného toku, [lm]; Φ v , α pohlcená (absorbovaná) složka světelného toku, [lm]; Φ v , τ propuštěná složka světelného toku, [lm].

(15)

Výše zmíněné složky světelného toku lze popsat pomocí následujících vzorců (vztahy 16, 17, 18): 780

odrazivost

∫ Φ ⋅ρ ( λ )⋅V ( λ )⋅d λ Φ v ,ρ 380 e , λ ρ v= = 780 ∈ 〈 0∣1 〉 Φv ∫ Φe , λ⋅V ( λ )⋅d λ

(16)

380

780

absorpce

∫ Φ ⋅α ( λ )⋅V ( λ )⋅d λ Φ v , α 380 e , λ αv= = 780 ∈ 〈 0∣1 〉 Φv ∫ Φe , λ⋅V ( λ )⋅d λ 380

20

(17)


780

∫ Φ ⋅τ ( λ )⋅V ( λ )⋅d λ Φv , τ 380 e , λ τv= = 780 ∈ 〈 0∣1 〉 Φv ∫ Φ e , λ⋅V ( λ )⋅d λ

propustnost

(18)

380

Zároveň platí následující tvrzení: (19)

ρ v + αv + τ v =1

Obr. 8. Složky světelného toku (Horňák, 1989)

2.3.4

Svítivost

Svítivost popisuje množství světla, které je vyzařováno bodovým zdrojem světla do prostoru pod úhlem jednoho steradiánu. Svítivost je možné vyjádřit následujícím vztahem: I v= kde je: d Φv dΩ

d Φv

(20)

dΩ vyzařovaný světelný tok, [ lm] ; prostorový úhel, pod kterým je světlo vyzařováno, [ sr ] .

SI jednotkou svítivosti je kandela, [ cd ] .

21


2.3.5

Jas

Jas charakterizuje svítivost, která je vyzařována elementární plochou do prostoru pod daným úhlem a v určitém směru. Jedná se o veličinu, která kvantitativně vyjadřuje vjem lidského oka na tmavé a světlé barvy. Jednotkou jasu je kandela na metr čtvereční a lze jej stanovit ze světelného toku pomocí vztahu 21. L v=

d 2 Φv

(21)

d Ω⋅dA⋅cos Θ

kde je: d 2 Φ v světelný tok přenášený v daném směru a pod určitým prostorovým úhlem od elementárního objemu prostřednictvím určitého bodu v prostoru, [ lm⋅W −1 ]; plocha příčného řezu vyzařující plochy kolmo ke směru šíření, [ m 2 ] ; dA úhel uzavřený mezi normálou plochy a směrem šíření, [ rad ] . Θ Úpravou vztahu 21 lze jas určit následujícími způsoby: • ze svítivosti přenášené do prostoru pomocí světelného zdroje (obrázek 9a); • z osvětlenosti zjištěné na povrchu zářícího zdroje (obrázek 9b); • ze světelného toku, pokud se jedná o stanovení hodnoty jasu elementárního objemu světelných paprsků procházejících přes nedifúzní transparentní prostředí.

Obr. 9. Možnosti určení jasu (Horňák, 1989)

Protože povrchy nejsou ideální a mohou přenášet nebo odrážet světlo odlišně, byla vytvořena pro průhledné a neprůhledné povrchy klasifikace (obrázek 10). Vzhledem k tomuto rozdělení stavební světelná technika považuje většinu ploch za dokonale rozptylné, tzv. Lambertovské (tyto povrchy mohou být 22


reflexní nebo světelné propustné). Hodnoty jasu na lambertovských plochách lze určit pomocí vztahu 22, který je zjednodušením rovnice 21. L v=

kde je: ρd Ev

ρ d⋅E v π

(22)

hodnota světelné odrazivosti Lambertovského povrchu, [ - ] ; hodnota osvětlenosti dopadající na povrch v kolmém směru, [ lx ] .

Obr. 10. Dělení odrazů a prostupů (Darula, 2008)

2.3.6

Osvětlenost

Osvětlenost může být definována jako poměr mezi světelným tokem dopadajícím na povrch a plochou tohoto povrchu (vztah 23). E v= kde je: d Φv dA

d Φv dA

=∫ L v⋅cos Θ⋅d Ω

(23)

Ω

světelný tok dopadající na povrch, [ lm] ; plocha osvětleného povrchu, [ m2 ] .

Jednotkou osvětlenosti je lux, [ lx ] . Osvětlenost je jednou z fotometrických veličin, kterou lze změřit pomocí měřícího zařízení, což je široce využíváno v mnoha oblastech, např. ve stavebnictví nebo při návrhu svítidel (měření je znázorněno na obrázku 11).

23


Obr. 11. Měření luxmetrem a jasoměrem (Vajkay, 2013)

2.3.7

Pracovní rovina

Pracovní rovina je imaginární horizontální (či vertikální) plocha, která se nachází ve výšce, kde se v interiéru předpokládají zrakové činnosti. Obvykle se jedná o vodorovnou srovnávací rovinu ve výšce 850 mm nad podlahou, která je tvořena pravidelnou sítí bodů, ve kterých jsou určeny hodnoty osvětlenosti popřípadě činitelů denní osvětlenosti. Lze uvažovat i jiné polohy roviny, které jsou určeny ke zkoumání a hodnocení různých aspektů denního osvětlení v interiéru anebo exteriéru. 2.3.8

Činitel denní osvětlenosti

Činitel denní osvětlenosti (zkráceně č.d.o.) je podílem dvou hodnot osvětlenosti zjištěných ve stejnou chvíli. První z těchto dvou hodnot je osvětlenost v interiéru budovy stanovená na pracovní rovině a druhá hodnota představuje globální osvětlenost venkovní horizontální nezastíněné roviny při rovnoměrně zatažené obloze. Hodnota činitele denní osvětlenosti je vyjadřována v procentech, [ % ] . D= kde je: Ei Ee

Ei

(24)

Ee

hodnota osvětlenosti dopadající na srovnávací rovinu v interiéru budovy, [ lx ] ; hodnota globální horizontální osvětlenosti pod nezastíněnou rovnoměrně zataženou oblohou dle CIE, [ lx ] .

24


Činitel denní osvětlenosti se skládá ze tří složek, které jsou znázorněny na obrázku 12: • oblohová složka činitele denní osvětlenosti; • vnější odražená složka činitele denní osvětlenosti; • a vnitřní odražená složka činitele denní osvětlenosti.

Obr. 12. Složky činitele denní osvětlenosti (Vajkay, 2013)

2.3.9

Rovnoměrnost osvětlení

Rovnoměrnost denního osvětlení vyjadřuje rozložení světla podél hloubky hodnocené místnosti. Její hodnota je stanovena odlišně pro přirozené a umělé zdroje světla. Zatímco v případě denního světla se rovnoměrnost určuje z minimální a maximální hodnoty činitele denní osvětlenosti získaných v rozsahu pracovní roviny (vztah 25) (ČSN 73 0580-1, 2007), v případě umělého osvětlení se rovnoměrnost počítá z minimální a průměrné hodnoty osvětlenosti dosažených v rámci srovnávací roviny (vztah 26) (ČSN EN 12664-1), (web: OMS, 2012). r=

D min

Dmax kde je: D min minimální hodnota činitele denní osvětlenosti, [ % ] ; D max maximální hodnota činitele denní osvětlenosti, [ % ] .

25

(25)


ra = kde je: E min Em

E min

(26)

Em minimální hodnota osvětlenosti, [ lx ] ; průměrná hodnota osvětlenosti, [ lx ] .

2.3.10 Doba proslunění/oslunění Doba proslunění vyjadřuje dobu, po kterou je místnost osvětlena přímým slunečním světlem. Doba proslunění je vyjádřena v minutách, [ min ] . Doba oslunění vyjadřuje dobu, po kterou jsou osvětleny přímým slunečním světlem vnější plochy určené k rekreaci obyvatel stavebního objektu. Doba oslunění je vyjádřena v minutách, [ min ] .

26


3

STAVEBNÍ SVĚTELNÁ TECHNIKA

3.1 DENNÍ SVĚTLO VE STAVEBNICTVÍ Od počátku dějin lidé hledali úkryty, které by jim poskytly ochranu před útoky zvířat, nepřízní počasí a později také před agresivními kmeny. Takovými prvními úkryty se staly jeskyně. O několik tisíciletí později, když došlo ke změně klimatických podmínek a ochladilo se, začali tehdejší lidé vyrábět do otvorů svých obydlí bariéry podobné dveřím, které ovšem ještě neměly dané konstrukční řešení a jejichž hlavním významem bylo zabránění únikům tepla a ochrana obydlí před nepřízní počasí. Tyto prvotní dveřní výplně ovšem znemožňovaly větrání, což vedlo k úpravám spočívajícím ve vytvoření menších otvorů a štěrbin v ploše výplní. Postupně počet lidí žijících v kmenech rostl a lidé začali hledat jiné možnosti bydlení. Takto začaly vznikat první budovy (zejména opevnění a přístřešky) ze dřeva a hlíny, které se lišily v závislosti na možnostech dané lokality, od kterých se odvíjela architektura regionu po tisíce let (Phillips, 2004). V největších starověkých civilizacích jako je Egypt, Řecko, Řím nebo v indiánských říších Severní a Jižní Ameriky byly nejdůležitější stavby věnovány bohům nebo jiným nadpřirozeným jevům, ve které tamní lidé věřili nebo které uctívali. Takovými stavbami byly obvykle chrámy nebo pyramidy (s výjimkou Egypta, kde byly pyramidy stavěny jako hrobky) různých tvarů. Jednalo se zkrátka o posvátné stavby, které vynikaly již z větší vzdálenosti a z nichž většina měla zajištěno v co největší míře využití přirozeného světla, které osvětlovalo obrazy a řezbářské práce v jejich interiérech. Ve starověkém Egyptě bylo proto ostění otvorů některých staveb pokoveno vysoce světelně odrazivým kovem se zlatem. Další významnou stavbou té doby je římský Pantheon, jehož vnitřní prostor je osvětlen denním světlem pouze otvorem v horní části krycí kopule. Obytné stavby však byly malé, a protože se téměř všechny činnosti vázaly na venkovní prostředí, měla obydlí jen velmi málo otvorů nebo dokonce otvory zcela chyběly. Výjimkou byly dveře, které sloužily ke vstupu do objektu a k výměně vzduchu. Tvar a další vlastnosti těchto domů ve velké míře závisely na jejich umístění. V suchých oblastech se stavěly budovy s plochými střechami a mohutnými konstrukcemi, které odolávaly nadměrnému působení slunečního záření. Naprostý opak je však patrný v chladnějších oblastech, kde byly masivní stěny a střechy vyměňovány sloupovým systémem s jižní orientací hlavního průčelí pro zvýšení tepelných zisků. Z důvodu snahy o snížení tepelných ztrát byly otvory opatřeny dveřními křídly, latěmi nebo kůží a to až do objevu plochého skla a techniky jeho výroby (Moore, 1985). Po pádu řecké, římské a perské říše stavebnictví stagnovalo, neboť bylo zatlačeno do pozadí z důvodu nekonečných válek mezi kmeny a národy. Teprve za vlády respektovaných a přísných králů mohlo lidstvo znovu

27


objevovat architekturu. Významnými stavbami éry středověku jsou například rotundy z románského období nebo kostely a katedrály z období gotiky (Koch, 2008). Za zmínku stojí i to, že sakrální stavby před a v průběhu románského období měly pouze malé otvory, což platilo i pro stavby určené k bydlení s tím rozdílem, že poloha jejich otvorů byla jiná, neboť z náboženských důvodů byla u kostelů a rotund okna orientovaná na východ. V období gotiky započalo experimentování s konstrukcemi, což vedlo ke vzniku kleneb a oblouků, které umožnily zeštíhlení stěn a zvětšení otvorů do majestátních rozměrů. Okna byla zdobena barevným sklem znázorňujícím kapitoly z Bible. Ve stejnou dobu ale na opačném konci světa byly stavby založeny na křehkých a štíhlých prvcích ze dřeva a zejména na bambusových kmenech. Použití procesu prefabrikace umožňovalo opravit či znovu postavit v krátkém čase čtvrtě i města zdecimovaná zemětřesením nebo ohněm. Pro výplně otvorů byl používán olejem nasáklý rýžový papír nebo hedvábí. Od gotiky až do začátku průmyslové revoluce v 18. a 19. století mělo denní světlo v architektuře významné postavení. Nicméně zavedením elektřiny a výroby oceli se architektura navždy změnila. Až na určité výjimky (jakými byli Ludwig Mies van der Rohe nebo Frank Lloyd Wright) začali architekti stavět na zakázku obrovské stavební objekty s téměř neomezeným interiérem. Trvalo celá desetiletí, než byl tento směr v 70. letech 20. století mezinárodně přerušen ropným embargem, které způsobilo rychlý nárůst výdajů spojených s užíváním budov (Moore, 1985). V důsledku této situace architekti a projektanti začali znovu využívat denní osvětlení. Samozřejmě existovaly i výjimky a v některých částech světa včetně Střední Evropy se vývoj ubíral jiným směrem. Vlastníci budov nechtěli ztratit kontakt s exteriérem a dbali na to, aby se uživatelé cítili dobře. Je důležité vědět, že stavební světelná technika zahrnuje různé vědní oblasti, a to denní osvětlení budov, proslunění a stínění. Obě tyto oblasti jsou ovšem závislé na systémech denního osvětlení, přičemž se může jednat o systémy přímé a nepřímé anebo systémy pasivní a aktivní. 3.2 SYSTÉMY DENNÍHO OSVĚTLENÍ VE STAVEBNICTVÍ Od dob používání prvních základních osvětlovacích otvorů prošly systémy denního osvětlení užívané ve stavebnictví dlouhým vývojem. V současné době existuje několik variant primárních i sekundárních (Kroelinger, 2005) soustav denního osvětlení, které mohou být aktivní nebo pasivní. Cílem všech osvětlovacích soustav denního osvětlení je zvýšení množství dopadajícího viditelného záření do vnitřních prostorů stavebních objektů.

28


3.2.1

Primární systémy denního osvětlení

Stavební otvory Stavební otvory představují jeden z nejprimitivnějších pasivních systémů denního osvětlení a v architektuře jsou používány již od jejího počátku. Jedná se o otvory v konstrukcích, které nevyžadují žádnou dodatečnou montáž. Lze tedy říci, že skrze tyto stavební otvory může denní světlo volně vstupovat z exteriéru do interiéru budovy a naopak. Tyto osvětlovací prvky mohou být polohovány všude v rámci stavby: uvnitř i venku. Mohou být ve svislých, vodorovných i šikmých konstrukcích. Hlavním rysem těchto otvorů v porovnání s jinými systémy je to, že u nich dochází k prostupu světla se 100 % propustností ve všech případech a pro všechny směry světelného toku, protože neobsahují světelně propustné materiály, a tudíž zde nedochází k absorpci, odrazu nebo lomu příchozího elektromagnetického záření. Nicméně toto je také hlavní nevýhodou stavebních otvorů. Tím, že v nich nejsou žádné výplně, teplo a energie může vstoupit do objektu a stejně tak z interiéru může unikat. Zejména dnes, kdy je kladen důraz na energetickou náročnost staveb, mohou být stavební otvory používané pouze jako sekundární zdroje světla. Okna Dalším typem pasivních systémů denního osvětlení jsou okna, která jsou v podstatě vylepšenými otvory. Okna jsou vybavena zasklením v dřevěném, plastovém nebo v kovovém rámu. Množství světla dopadající do interiéru budov je o něco nižší než v případě otvorů, protože sklo a okenní rám ovlivňují množství elektromagnetického záření. Jen část světla může projít skleněnými tabulemi, zbytek je odražen nebo pohlcen zasklením a okolním rámem. Různé typy skel používané ve stavebnictví mají odlišné vlastnosti, což je dáno surovinou a procesem výroby plochého skla. Čiré sklo o tloušťce 4 mm propouští až 92 % dopadajícího světla v kolmém směru. Oproti tomu izolační trojskla obsahující krypton a mající pokovenou vnější nebo vnitřní stranu mohou mít světelnou prostupnost kolem 10 % . Ve stavebnictví existují: • Standardní okna - nachází se většinou ve svislé obálce budovy, tudíž umožňují přímý kontakt s exteriérem; • Střešní okna – jsou určeny pro montáž do šikmých střech a jejich cílem je osvětlení půdních prostor; • A prosklené fasády – okna zakrývající celou nebo značnou část vnější stěny objektu. Prosklené fasády mají své vlastní nosné prvky, pomocí kterých konstrukce odolává tlaku větru a dalším vnějším vlivům stejně jako své vlastní hmotnosti.

29


Světlíky Světlíky jsou soustavou denního osvětlení a používají se k osvětlení vnitřních prostor ze shora skrz střešní konstrukci budovy. Montují se do střech průmyslových objektů, aby byly splněny hygienické požadavky ve vnitřních pracovních prostorech nebo světelně technické požadavky v případě chodeb a dalších komunikací. Světlíky jsou většinou vybaveny difúzním zasklením pro rozptýlení denního světla do prostoru včetně přímého slunečního záření tak, aby nedošlo k oslnění. U některých světlíků mohou v zimním období nastat problémy s vodní párou a vzdušnou vlhkostí, která kondenzuje na jejich povrchu a odkapává na uživatele budovy. Případně může voda začít pronikat do skladby sousedních konstrukcí, kde může způsobit vážnější problémy.

Obr. 13. Příklad využití světlíků u stavebních objektů (web: klahos)

3.2.2

Sekundární zdroje denního světla

Světlovody Světlovody jsou pasivními a nepřímými systémy denního světla. Uvnitř světlovodů dochází k přenosu světla z exteriéru do interiéru budovy za pomoci mnohonásobných odrazů a lomů. Aby nedošlo ke ztrátám v účinnosti přenosu, vnitřní povrch světlovodícího tubusu je opatřen vrstvou světelně odrazivého materiálu, který pohlcuje pouze zanedbatelný zlomek přicházejícího optického záření. Tyto povrchové úpravy jsou běžně vyrobeny z vrstvy galvanizovaného kovu (sloučeniny stříbra nejvyšší kvality) nebo ze speciálních polymerů vyvinutých pro použití v oblasti informačních technologií. Tím se zvýší světelná odrazivost vnitřních povrchů těchto šachet. Délky a průměry světlovodících tubusů se mohou lišit, ale jejich konstrukce je v podstatě stejná (Paroncini, 2007) .

30


Světlovody jsou na jedné straně ukončeny skleněnou nebo plastovou kopulí a na druhé straně prvkem z rozptylného průsvitného materiálu. Pro správný návrh světlovodících systémů bylo vyvinuto několik teorií založených buď na základě numerické analýzy, nebo grafických přístupech, včetně případových studií. V rámci analýzy došlo i ke zkoumání možnosti využití počítačových aplikací využívajících algoritmus sledování paprsku pro určení hodnot osvětlenosti v prostorech osvětlovaných světlovody (Altan, 2008), (Darula, 2009), (Mohelníková, 2007), (Mohelníková, 2008).

Obr. 14. Pohled na kopule světlovodů (fotka: František Vajkay)

Atria Atria jsou shora otevřené a ze všech bočních stran uzavřené prostory, které bývají označovány také jako vnitrobloky. Atria nejsou přerušena podlažím a jsou přímo osvětlena denním světlem. Jejich hlavní funkcí je zajištění dostatečného osvětlení ve vnitřních prostorech s nimi spojenými. Dále poskytují vizuální vjem pro uživatele budovy, když nejsou k dispozici žádné jiné alternativy. Atria mají často i druhotnou funkci a mohou sloužit uživatelům budov i jako zahrady. Optické kabely Využití optických vláken v oblasti denního osvětlení budov je Evropě neobvyklým řešením, avšak ve Spojených státech amerických, v Japonsku a v některých dalších mimoevropských zemích jsou navrhovány a vyvíjeny již od 1978 (Andre, 2002), (web: LaForet, 2006), (web: Dornob). Tyto systémy využívají optická vlákna pro přenos světla z bodu A do bodu B. Vzdálenost mezi body vstupu a výstupu světla může mít i několik desítek metrů, protože optická vlákna pracují s nízkým koeficientem ztrát světla (což je také jeden z důvodů, proč jsou tak oblíbená v technických oborech). Optická 31


vlákna jsou vyrobena z průhledného lehkého jádra a povlaku s nízkým indexem lomu. Kromě optických vláken vyráběných v továrnách, se ve Spojených státech amerických lze setkat i s podomácku vyráběnými. Dokonce se na jejich výrobu pořádají specializované workshopy. Takto vyrobená optická vlákna sice nedosahují laboratorní kvality, ale jsou dostačující i pro délku do 20 m . Avšak samotné vhodné rozmístění optických vláken nestačí. Systém musí být doplněn o sběrače denního osvětlení a o svítidla. Další možností využití optických vláken je jejich přidání do betonu a vytvoření průsvitného betonu (obrázek 15), který má kromě jiného vysokou variabilitu a pevnost (web: Bittis, 2004).

Obr. 15. Průsvitný beton (web: Épitészfórum, 2003)

Chodby Chodby mohou, ale nemusí být zdrojem denního světla. Primárně se chodby používají ke komunikaci v rámci budovy, ale mohou také mít přímé spojení s exteriérem na jedné straně a s pobytovými prostory na straně druhé. Místnosti tak mohou být osvětleny denním světlem z prostoru chodby, čímž se chodba stává zdrojem světla. Předpokladem ovšem je, že ve stěně mezi chodbou a osvětlovanou místností musí být umístěn vhodný primární osvětlovací systém. Množství světla, kterým může být místnost z prostoru chodby osvětlena, může být výrazně ovlivněno povrchy chodby. Typicky se lze s využitím chodeb jako zdroji světla setkat v nákupních centrech, ve kterých jsou obchody osvětlovány denním světlem z prostoru chodby.

32


4

VYHODNOCENÍ SVĚTELNĚ PARAMETRŮ V BUDOVÁCH

TECHNICKÝCH

Zajištění a následné hodnocení výsledných světelných podmínek v budovách je jedním z požadavků platných zákonů, vyhlášek a norem. Právní předpisy definují, co a za jakých podmínek má být hodnoceno, související normy pak obsahují požadované metodiky a požadované hodnoty, které je třeba splnit. Samotná stavební světelná technika a tedy i světelně technické vlastnosti prostorů uvnitř staveb závisí na několika aspektech, které je třeba stanovit před samotným hodnocením. Těmito aspekty jsou: • předpokládané využití budovy a navrhovaného vnitřního prostoru; • vlastnosti a charakter dané lokality, území, kde se stavební objekt nachází, nebo kde bude v budoucnu stát, včetně vlastností okolních staveb; • typ soustavy denního osvětlení a světelně technické parametry povrchů v místnosti; • a další. V České republice (s výjimkou Prahy) by měly budovy splňovat požadavky a kritéria popsaná v rámci vyhlášky č. 268/2009 Sb., o technických požadavcích na stavby (včetně změn uvedených ve vyhlášce č. 20/2012 Sb.). Pro Prahu jsou tyto požadavky uvedeny ve vyhlášce č. 26/1999 Sb. hl. m. Prahy, o obecných technických požadavcích na výstavbu v hlavním městě Praze, v platném znění. Uvedené právní předpisy popisují různé požadavky na navrhování staveb, které vedou k zajištění ochrany zdraví a bezpečnosti obyvatel a uživatelů stavebních objektů. Mezi tyto požadavky patří například požadavky z hlediska stavební akustiky, tepelné ochrany budov, požární bezpečnosti a dále také požadavky na denní osvětlení a proslunění. V paragrafech 11, 12 a 13 vyhláška č. 268/2009 Sb. uvádí základní kritéria týkající se denního osvětlení a proslunění prostorů v nově navržených objektech, ale i v objektech stíněných objekty nově navrženými. Těmi nejdůležitějšími požadavky jsou: • U nově navrhovaných stavebních objektů je nezbytné provést návrh denního, sdruženého popřípadě umělého osvětlení a proslunění v souladu s normovými hodnotami, včetně vlivu okolních budov a naopak vlivu navrhované stavby na stávající zástavbu; • Obytné místnosti musí mít zajištěné denní osvětlení; • V pobytových místnostech musí být navrženo denní, sdružené případně umělé osvětlení v závislosti na jejich funkčním využití v souladu s normovými hodnotami. Dále by pobytové místnosti měly také být prosluněny, pokud je to vyžadováno; • Prosluněny musí být všechny byty (posuzování vychází z normových hodnot): 33


◦ Byt je prosluněn, když součet podlahových ploch jeho prosluněných obytných místností je roven nejméně jedné třetině součtu podlahových ploch všech jeho obytných místností; ◦ Byt v samostatně stojícím rodinném domě, dvojdomě a koncovém řadovém domě je prosluněn, je-li součet podlahových ploch jeho prosluněných obytných místností roven nejméně jedné polovině součtu podlahových ploch všech jeho obytných místností. Pobytové místnosti se posuzují a navrhují přímo na základě vyhlášky č. 268/2009 Sb. V pracovních prostorech nově navržených budov je nezbytné brát zřetel i na požadavky obsažené v nařízení vlády č. 361/2007 Sb., kterým se stanoví podmínky ochrany zdraví při práci. Uvedené nařízení vlády určuje, za jakých podmínek lze v pracovních prostorech používat mimo denního osvětlení také osvětlení umělé a popřípadě sdružené. Podle nařízení vlády č. 361/2007 Sb. existují tři fáze světelně technického návrhu: • Návrhy osvětlení pracovních prostorů mohou být založeny pouze na denním osvětlení, přičemž v daných pracovních prostorech musí být splněny náležitosti dle platných českých technických norem. Jde-li o prostory s třídou zrakové činnosti nižší než IV, musí být splněny hodnoty uvedené v § 45 odstavci 3a nařízení vlády č. 361/2007 Sb.; • Pokud není možné splnit požadavky na denní osvětlení, mohou být pracovní prostory osvětleny pomocí sdruženého osvětlení, ale pouze za podmínky, že v těchto prostorech budou splněny požadavky na hodnotu denní i umělé složky sdruženého osvětlení buď normové, nebo uvedené v nařízení vlády č. 361/2007 Sb.; • V prostorech, kde není možné splnit požadavky na denní osvětlení, lze navrhnout a používat umělé osvětlení bez denní složky. Například se může jednat o místnost umístěnou v podzemním patře nebo ve středním traktu budovy. Návrh a hodnocení denního osvětlení a proslunění se liší dle fáze životního cyklu stavby, kdy je výpočet prováděn. Z tohoto pohledu je možné uvést následující rozdělení hodnocení: • V před návrhové fázi; • V návrhové až před realizační fázi; • anebo po realizaci stavby. Vyhodnocení v rámci před návrhové fáze kontroluje dostupnost denního světla a splnění požadavků na insolaci. Z hodnocení by mělo vyplývat, zda umístění budovy do lokality bude vyhovující. Tato fáze zahrnuje vyhodnocení jak nově navržených prostorů, tak i prostorů stávajících. Jedná se však stále pouze o předběžný návrh.

34


V návrhové fázi se ověřují podmínky denního osvětlení a proslunění ve vnitřních prostorech navržených budov už na základě podrobnější projektové dokumentace. Lze již odvodit typy a rozměry osvětlovacích soustav ve stejné míře, jako lze aplikovat i přesně stanovenou hodnotu pro světelnou propustnost zasklení. Výpočet a proces hodnocení se provádí podle požadavků norem. Ve fázi po realizaci budovy se ověřují hodnoty činitele denní osvětlenosti případně i délky proslunění měřením. Jedná se o postup, který se provádí jen výjimečně před kolaudací stavby. 4.1 NÁVRH DENNÍHO OSVĚTLENÍ V BUDOVÁCH 4.1.1

Požadavky norem z hlediska denního osvětlení

Hodnocení a návrh vnitřního prostředí z hlediska denního osvětlení musí být provedeny v souladu s platnými ČSN 73 0580. ČSN 73 0580 má dohromady čtyři části (ČSN 73 0580-1:2007), (ČSN 73 0580-2:2007), (ČSN 73 05803:1994), (ČSN 73 0580-4:1994). Každá část se zabývá odlišnou oblastí a tematikou denního osvětlení budov: • 1. část normy se zabývá denním osvětlením obecně; • 2. část normy se zabývá denním osvětlením obytných prostorů; • 3. část normy se zabývá přirozeným světlem ve školách; • 4. část řeší denní osvětlení pracovních prostorů a ploch uvnitř průmyslových a zemědělských budov. Z uvedeného členění vyplývají tři různé metody pro kvantitativní a kvalitativní hodnocení denního osvětlení v budovách: • 1. metoda je určena pro vyhodnocení světelných podmínek uvnitř místností, na které se nevztahují žádné speciální požadavky (jako např. na obytné prostory), čili se jedná o běžný postup výpočtu, který je třeba aplikovat ve většině případů. Výpočty pro zjištění hodnoty činitele denní osvětlenosti se provádějí v celém rozsahu srovnávací roviny (obrázek 16). Výsledné hodnoty činitele denní osvětlenosti jsou pak porovnány s hodnotami uvedenými v tabulkách v příslušné normě. Pro prostory bez nadstandardních požadavků se používají hodnoty uvedené v tabulce 3, která je součástí normy ČSN 73 0580-1:2007. Tabulka byla pozměněna tak, aby obsahovala i požadavky normy ČSN 36 0020:2007 pro vyhodnocení denní složky sdruženého osvětlení. Dalším důležitým požadavkem je rovnoměrnost osvětlení u bočního osvětlení, která musí být větší než normou požadovaná hodnota (normou požadované hodnoty jsou taktéž zahrnuty v tabulce 3). V případě horního a kombinovaného (kdy má převahu horní osvětlení) osvětlení je třeba splnit minimální a průměrné hodnoty činitele denní osvětlenosti v rozsahu srovnávací roviny;

35


Obr. 16. Metodika vyhodnocení denního osvětlení dle ČSN 73 0580-1 (Vajkay, 2013) Tab. 3. Požadované hodnoty činitele denní osvětlenosti dle ČSN 73 0580-1:2007 a ČSN 36 0020:2007, včetně požadovaných hodnot rovnoměrnosti u bočního osvětlení Třída zr. č.

I

II

III

IV

V

Char. zr. č.

Poměrná pozorovací vzdálenost

Mimořádně Od 3330 přesná do – Velmi přesná

Od 1670 do 3330

Přesná

Od 1000 do 1670

Středně přesná

Hrubší

Od 500 do 1000

Od 100 do 500

VI

Velmi hrubá

Od 0 do 100

VII

Celková orientace

-

Příklady zrakových činností

Dmin [%]

Dm [%]

rmin [-]

Nejpřesnější zr. činnost s omezenou možností použití zvětšení, s požadavkem na vyloučení chyb v rozlišení, nejobtížnější kontrola Velmi přesné činnosti při výrobě a kontrole, velmi přesné rýsování, ruční rytí s velmi malými detaily, velmi jemné umělecké práce Přesná výroba a kontrola, rýsování, technické kreslení, obtížné laboratorní práce, náročné vyšetření, jemné šití, vyšívání Středně přesná výroba a kontrola, čtení, psaní (rukou i strojem), běžné laboratorní práce, vyšetření, ošetření, obsluha strojů, ... Hrubší práce, manipulace s předměty a materiálem, konzumace jídla a obsluha, oddechové činnosti, základní a rekreační tělovýchova, čekání Udržování čistoty, sprchování a mytí, převlékání, chůze po komunikacích přístupných veřejnosti

3,5 10,0 (sdr. 1,0) (sdr. 2,5) 0,2 (dop. 0,3) 2,5 7,0 (sdr. 1,0) (sdr. 2,5) 0,2 (dop. 0,3) 2,0 6,0 (sdr. 0,7) (sdr. 2,0) 0,2 (dop. 0,3) 1,5 5,0 (sdr. 0,5) (sdr. 1,5) 0,2 1,0 3,0 (sdr. 0,5) (sdr. 1,0) 0,15

0,5 2,0 (sdr. 0,5) (sdr. 1,0) 0,15 0,2 1,0 Chůze, doprava materiálu, skladování (sdr. 0,5) (sdr. 1,0) hrubého materiálu, celkový dohled 0,15

36


• 2. metodu je třeba používat k vyhodnocení světelně technických podmínek z hlediska denního osvětlení uvnitř obytných místností. Minimální a průměrné hodnoty činitele denní osvětlenosti jsou převzaty ze dvou krajních bodů v polovině hloubky místnosti na srovnávací rovině, maximálně se však mohou nacházet ve vzdálenosti 3 m od stěny obsahující soustavu denního osvětlení (obrázek 17). Následně jsou tyto hodnoty porovnány s hodnotami požadovanými normou. Česká norma je o něco mírnější než britská (BS 8206-2:2008). Všechny obytné místnosti musí splňovat normové požadavky, ať jsou osvětlovány bočním, horním nebo kombinovaným denním osvětlením. Pro boční osvětlení platí následující hodnoty: ◦ Minimální hodnota činitele denní osvětlenosti ze dvou kontrolních bodů musí být nejméně 0,7 % ; ◦ A zároveň ve stejnou dobu nesmí být průměrná hodnota činitele denní osvětlenosti z těchto dvou kontrolních bodů menší než 0,9 % .

Obr. 17. Metodika hodnocení denního osvětlení v obytných prostorech dle ČSN 73 0580-2:2007 (Vajkay, 2013)

• 3. metoda slouží k ověření vlivu nově navržených staveb na stavby sousední. Výpočty je třeba provést v bodě na fasádě v rovině zasklení (obrázek 18). V tabulce 4 jsou uvedeny požadované hodnoty dle přílohy B, ČSN 73 0580-1:2007. Tab. 4. Požadované hodnoty činitele denní osvětlenosti v bodě na fasádě v rovině zasklení dle přílohy B, ČSN 73 0580-1:2007 Kategorie Typ prostoru a charakter lokality prostoru 1 Prostory s vysokými nároky na denní osvětlení 2 Prostory s běžnými nároky na denní osvětlení 3 Prostory v budovách v souvislé řadové zástavbě center měst Prostory v budovách v mimořádně stísněných podmínkách 4 historických center měst

37

Dw,min [%] 35 32 29

ε [°] 24 30 36

24

45


Obr. 18. Metodika hodnocení denního osvětlení dle přílohy B, ČSN 73 0580-1:2007 (Vajkay, 2013)

4.1.2

Metody výpočtů

Po staletí byla zkoumána obloha a její vlastnosti či charakter světla a snahou bylo vytvořit postup, za pomoci kterého by bylo možné stanovit množství denního světla dopadajícího do místnosti skrz osvětlovací otvory (tj. přes okna, světlíky, dveře, atd.). Bylo vytvořeno několik teorií, avšak byly uznány pouze ty, které pracují s rovnoměrně zataženou oblohou dle CIE. Postupem času vznikly různé grafické a numerické postupy, které jsou v dnešní době nahrazovány počítačovými programy, které pracující na základě jednoho z dostupných a vyvíjených algoritmů, jakými jsou radiosity nebo raytracing (sledování paprsku). Grafické a numerické metody Pro určení hodnoty oblohové a vnější odražené složky činitele denní osvětlenosti lze použít takzvané diagramy, protraktory anebo rovnice. Diagramy jsou obvykle publikovány v sadách po dvou, kdy jeden z diagramů je určen pro půdorysy a druhý pro řezy. Vnitřní odražená složka činitele denní osvětlenosti se standardně stanoví pomocí rovnic, i když se jedná o zanedbatelnou hodnotu. Nejznámějšími metodami pro určení oblohové a vnější odražené složky činitele denní osvětlenosti jsou: • Daniljukova úhlová síť (grafická i numerická varianta); • Kittlerovy protraktory; • Protraktory BRS (Samotné protraktory BRS nejsou nijak známé ve střední Evropě, pouze v anglicky mluvících zemích. Nicméně metodika

38


BRS pro určení vnitřní odražené složky činitele denní osvětlenosti je často aplikována v oblasti denního osvětlení budov); • a Waldramův diagram (ve své původní, nebo modifikované formě). Vyhodnocení v bodě na fasádě v rovině zasklení na základě hodnoty požadované normou jsou založena na modifikovaném diagramu podle Waldrama. Postup aplikace diagramu dle Waldrama je popsán i v článku z roku 2002 (Kaňka, 2002). Ke konci 20. století došlo i k implementaci daného postupu do počítačových programů, jako je například WAL (program, který byl vyvinutý na ČVUT v Praze).

Obr. 19. Příklad použití modifikovaného Waldramova diagramu pro zjištění oblohové a vnější odražené složky činitele denní osvětlenosti při vyhodnocení v bodě na fasádě v rovině zasklení (Kaňka, 2002)

Daniljukova úhlová síť dělí celou oblohovou hemisféru do menších elementárních ploch se stejným jasem. Dané diagramy jsou určeny ke zjištění počtu dílků oblohy, které jsou přímo vidět skrz osvětlovací otvory z bodu na srovnávací rovině anebo jsou stíněné bariérou před okny a osvětlovacími otvory. Z počtů dílků určených za pomocí diagramů pro půdorys a řez lze vypočítat hodnotu oblohové a výsledné vnější odražené složky činitele denní osvětlenosti, kterou je třeba následně korigovat o gradaci jasu oblohy, světelnou propustnost zasklení a další koeficienty. Jedná se o postup, který je diskutován v širokém výběru knih (Kittler, 1975), (Donaťáková, 2009). Ze začátku 21. století došlo k inovaci Daniljukových diagramů. Inovaci zveřejnil J. Kaňka v časopise Světlo (Kaňka, 2011). Jeho postup zahrnuje určení daných úhlů v půdorysu i v řezu budovy, ze kterých jsou následně za pomoci vztahů určeny hodnoty oblohové a vnější odražené složky činitele denní osvětlenosti. Vzhledem k tomu, že viditelné i neviditelné plochy oblohy jsou určeny s vyšší přesností, lze numerickou metodu Daniljukových diagramů zařadit mezi ty přesnější.

39


Počítačové algoritmy Ve stavební světelné technice se v současnosti pro určení činitele denní osvětlenosti čím dál tím častěji používají počítačové programy. Jsou tvořeny průběžně různými firmami a jejich výhodou je, že ve většině případů dokážou určit i hodnoty osvětlenosti při umělém osvětlení. Za zmínku stojí software: Relux, Dialux, Velux Daylight Visualizer, Světlo+, WDLS a v neposlední řadě i RADIANCE. Výše zmíněné počítačové programy jsou založeny na různých algoritmech. Mohou využívat jednu z dostupných rovnic patřící do kategorie globální osvětlenosti (global illumination), například radiosity nebo ray-tracing anebo jeden ze starších numerických postupů (příklad: toková metoda, numerická integrace). Jejich výhodou je i to, že s prostory lze manipulovat ve větším detailu, než například při grafické a numerické analýze.

Obr. 20. Rozdíly v detailech mezi modely aplikovatelnými v rámci numerické a grafické analýzy (vlevo) a v počítačových aplikacích (vpravo) (Vajkay, 2013)

Radiosity má své základy v metodě konečných prvků a předpokládá, že každý prvek je dokonale difúzní, Lambertovský. Software pracující na algoritmu Radiosity umí počítat nejenom světelně technické podmínky, ale i akustiku a teplotní záření, protože ukládá různorodá data do dočasných i permanentních souborů. Kamera i pozorovatel mohou kdykoli změnit polohu v rámci scény, protože výsledky časově náročných výpočtů se průběžně ukládají. Radiosity je jako algoritmus součástí počítačového programu LightWave a je aplikován i v renderovacím nástroji firmy Autodesk. Ray-tracing (neboli sledování paprsku) je metoda, s jejíž pomocí je možné vytvářet fotorealistické vyobrazení scén skládajících se ze stavebních objektů, stromů a jiných prvků. Ray-tracing je také možné použít k určení hodnoty činitele denní osvětlenosti uvnitř nebo vně dané budovy a to od přirozených

40


nebo umělých zdrojů světla. Ray-tracing má své základy již v 17. století (Kokhanovsky, 2008), (Lautenbach, 2009), (Preussner, 2012), kdy byla formulována první rovnice popisující předchůdce ray-tracingu a to "ray-casting", která v podstatě nenašla uplatnění až do druhé poloviny 20. století, kdy došlo k rozšíření počítačových technologií. Hlavním cílem ray-castingu bylo vržení stínů v rámci scény. Pro vyobrazení povrchů ray-casting spíš užíval textury než interpolaci barev. Ray-casting měl nízké požadavky na hardware, a proto se stal široce uplatňovaným při tvorbě počítačových her (web: Vandevenne, 2007) . Protože byl ray-casting nedokonalý, vědci vyvinuli jeho nástupce v podobě "ray-tracingu". Ve srovnání s ray-castingem začal ray-tracing sledovat pohyb paprsků a také zaznamenávat vlastnosti materiálu a povrchů, se kterými se paprsek dostal do kontaktu. Nejznámější verze ray-tracingu jsou: backward ray-tracing (zpětné sledování paprsku, forward ray-tracing (přímé sledování paprsku), pak jeho kombinovaná a stochastická varianta. Mezi nejvíce používané počítačové programy založené na algoritmu raytracingu patří: RADIANCE (Ward, 2004), (web: Chadwell, 1997), Daysim, POV-Ray, Dialux, Relux a Velux Daylight Visualizer.

Obr. 21. Výstupy z RADIANCE (Vajkay, 2013)

41


4.2 VYHODNOCENÍ PROSLUNĚNÍ A OSLUNĚNÍ 4.2.1

Požadavky norem z hlediska proslunění a oslunění

Sluneční záření má velký vliv na lidský organismus, proto je důležité, aby bylo zajištěno proslunění pobytových prostorů a obytných místností. Prosluněny musí být nejenom obytné místnosti v bytech, i když se to řeší nejvíce v rámci územního a stavebního řízení, ale i prostory s charakterem trvalého bydlení (např. pokoje na kolejích pro mládež a v ubytovnách), dále prostory budov, které jsou určeny k pobytu dětí (mateřské školy, základní a střední školy) a pro pobyt nemocných. V případě staveb občanské vybavenosti nejsou ovšem přesně stanovené kvantitativní požadavky jako například u obytných budov. Proslunění obytných prostorů a oslunění venkovních ploch určených k rekreaci řeší norma ČSN 73 4301-Obytné budovy z roku 2004. Norma ČSN 73 4301:2004 obsahuje požadavky, které je nutné dodržet, aby byly obytné místnosti uvažovány jako prosluněné. Tyto požadavky jsou následující: 1. proslunění musí být určeno pro 1. březen za podmínek jasné oblohy CIE, přičemž místnost je považována za prosluněnou, pokud její doba proslunění je minimálně 90 min . V případě, že by posuzovaná místnost dne 1.3. prosluněna nebyla, je možné provést posouzení i formou bilance proslunění 40 po sobě jdoucích dnů (od 10.2. do 21.3. včetně, kromě dne 29.2. v přestupném roce), kdy průměrná hodnota doby proslunění musí mít nejméně 90 min ; 2. skladebné rozměry osvětlovacího otvoru nesmí být menší než 900 mm , v případě střešních oken musí být šířka okna nejméně 700 mm; 3. plocha osvětlovací soustavy místnosti musí být rovna alespoň 1/10 obytné plochy místnosti (Obytná plocha místnosti je dána její maximální započitatelnou hloubkou, která je určena jako 2.3 násobek světlé výšky místnosti (obrázek 22a)); 4. výška slunce nad horizontem musí být alespoň 5 ° (pro zeměpisnou šířku 50 ° ), což odpovídá době posouzení od 7:10 do 16:50 dne 1.3.; 5. půdorysný úhel slunečních paprsků a osvětlovacího otvoru musí být alespoň 25 ° kvůli vyšší účinnosti slunečního záření vnikajícího do interiéru místnosti (obrázek 22b); 6. posuzovaný bod musí být umístěn v polovině šířky osvětlovacího otvoru, 300 mm nad parapetem ale nejméně 1200 mm nad podlahou dané místnosti (obrázek 22c). Z hlediska současné právní a normativní úpravy však nemusí být prosluněny všechny obytné místnosti bytu, jak je blíže uvedeno na str. 32 publikace.

42


Obr. 22. Požadavky normy ČSN 73 4301 z hlediska proslunění

Pro doplnění je nezbytné uvést, že pozemek sloužící k rekreaci obyvatel staveb je osluněn, je-li polovina plochy pozemku osluněna po dobu nejméně 180 min (pozn. v normě je uvedeno „měl by být osluněn“).

43


4.2.2

Metody výpočtů

Dobu proslunění místností a dobu oslunění pozemku lze určit: • Grafickými metodami: ◦ Diagram zastínění - je nejvíce využívanou metodikou pro určení doby proslunění, kterou lze aplikovat i při výpočtech doby oslunění pozemků určených k rekreaci (ukázka aplikace v rámci příkladu v příloze). Je-li nezbytné provést vyhodnocení pomocí bilance pro 40 následujících dnů, je diagram zastínění prakticky nepoužitelný, protože je třeba vytvořit 40 diagramů, což je dáno měnící se deklinací slunečních paprsků (Kaňka, 2012); ◦ Pravoúhlý sluneční diagram - je spíše výstupem počítačových aplikací, jakou je například Světlo+. Pro tvorbu tohoto diagramu a určení doby proslunění lze dokonce vytvořit i makro v tabulkovém editoru (viz obrázek 23);

Obr. 21. Ukázka aplikace pravoúhlého slunečního diagramu (ČSN 73 0581:2009)

◦ Stereografický diagram – je z hlediska určení doby proslunění nejrozšířenějším výstupem počítačových aplikací, které jsou určeny pro 3D modelování a vyobrazení scén. Softwarem, který užívá pro určení doby proslunění stereografický diagram, je například RADIANCE, Ecotect, SketchUp, ArchiCad. Ukázka stereografického diagramu je na obrázku 24. • Numerickými metodami, které jsou založeny na grafických metodách; • A měřením. Měření lze provést pomocí luxmetru nebo fotoaparátu.

44


Tato metoda ovšem není příliš využívána, protože provedení měření je podmíněno výskytem jasné oblohy CIE dne 1.3.

Obr. 24. Ukázka použití stereografického slunečního diagramu (ČSN 73 0581:2009)

45


5

PŘÍKLAD

Pro účely sloučeného územního a stavebního řízení navrhované novostavby posuďte její světelně technické podmínky a vliv jejího stínění na okolí. Vyhodnocení a posouzení světelně technických podmínek bude zahrnovat: • Proslunění prostor v nově navrhované budově; • Vyhodnocení vlivu stavby na sousední parcelu z hlediska oslunění; • Denní osvětlení obytných místností v navrhované stavbě. 5.1 POPIS NAVRHOVANÉ STAVBY A JEJÍHO OKOLÍ Stavební parcela se nachází v obci u Brna, jejíž zeměpisná šířka je 16°46'. Obec má cca. 500 obyvatel. Situace pozemku je na obrázku 25, jedná se o mírně svažitý pozemek (pro zjednodušení výpočtu uvažujte rovinu) Navrhovaná stavba je jednopodlažní rodinný dům, který svou výškou respektuje okolní zástavbu. Stavba má mírně členitý půdorys (obrázek 26) a nacházejí se v ní obytné místnosti, pracovní prostory (bez trvalého pobytu), technické a hygienické zázemí. Stavba je zastřešena plochou střechou. 0,000 navrhované stavby se nachází ve výšce 0,150 m nad terénem.

Obr. 25. Situace stavby a jejího okolí

46


Obr. 26. Půdorys stavby

47


5.2 VYHODNOCENÍ A POSOUZENÍ PROSLUNĚNÍ A OSLUNĚNÍ 5.2.1

Základní výpočty nezbytné pro sestrojení diagramu zastínění

Pro určení doby proslunění a oslunění je nezbytné sestrojit buď diagram zastínění, nebo jeden z dalších typů diagramů určených pro tento účel. Pro Českou republiku je důležité si uvědomit, že diagramy jsou sestrojeny pro zeměpisnou šířku φ = 50 ° a pro den 1.3. K sestrojení diagramu zastínění je třeba znát i další údaje, jakými jsou: • Meridiánová konvergence. Dále je zapotřebí znát hodnotu meridiánové konvergence C [° ] pro určení pravé polohy severu. Hodnota meridiánové konvergence je buď stanovena předem na mapovém podkladě, anebo je možné ji určit výpočtem: C=

24 ° 50 ' − λ 24,8333°− λ = 1,34 1,34

(27)

• Deklinace slunečních paprsků, [° ] : (28) δ =23,45⋅sin ( 0,98⋅D+29,7⋅M −109 ) kde je: pořadové číslo dne v měsíci (například 1. března je hodnota 1), [ -] ; D pořadové číslo měsíce v roce (například 1. března je hodnota 3), [ -] . M Poznámka autora: Při výpočtech v tabulkových editorech je nutné si uvědomit, v jakých jednotkách editory pracují, a případně provést převod z radiánů na stupně. • Hodinový úhel. Je nezbytné stanovit hodinový úhel, což je úhlová vzdálenost deklinační kružnice slunce od meridiánu. V poledne, při horní kulminaci je hodnota této proměnné rovna 0 ° ; (29)

τ =15°⋅( PSČ−12 ) kde je: pravý sluneční čas, [ h ] . PSČ

• Poloha slunce. Pro účely posouzení proslunění nebo oslunění je třeba stanovit polohu slunce na obloze v určité hodině určitého dne v roce. Polohu slunce lze vyjádřit různými způsoby v závislosti na zvoleném přístupu. Pro sestrojení diagramu zastínění je nejvhodnější určit hodnotu výšky slunce na horizontem h [° ] (vztah 30 a 31) a hodnotu azimutu A [° ] (vztah 32): 48


sin h=sin ϕ⋅sin δ +cos ϕ⋅cos δ⋅cos τ

(30)

hmax =90 °−ϕ + δ

(31)

cos A=

sin ϕ⋅cos δ⋅cos τ −cos ϕ⋅sin δ cos h

(32)

Ukázka výpočtu pro 13. hodinu: 24 ° 50 ' − λ 24 ° 50 ' −16 ° 46 ' = =6,02 ° 1. C= 1,34 1,34 2. δ =23,45⋅sin ( 0,98⋅D+ 29,7⋅M −109 ) =23,45⋅sin ( 0,98⋅1+29,7⋅3−109 ) δ =−7,60 ° 3. τ 13 =15°⋅( PSČ 13−12 )=15°⋅( 13−12 ) =15 °⋅1=15 ° 4. sin h 13=sin ϕ⋅sin δ +cos ϕ⋅cos δ⋅cos τ13 sin h 13=sin ( 50 ° )⋅sin (−7.60 ° ) + cos ( 50 ° )⋅cos (−7,6 )⋅cos ( 15 )=30,93 ° 5. h max=90 °− ϕ + δ =90°−50 °−7,6°=32,4 ° 6. cos A 13=

sin ϕ⋅cos δ⋅cos τ 13 −cos ϕ⋅sin δ

cos h 13 sin ( 50 ° )⋅cos (−7,6 ° )⋅cos ( 15 ° )−cos ( 50 ° )⋅sin ( −7,6 ° ) cos A 13= =17,40 ° cos ( 30,93° )

Výsledky výpočtů z tabulkového editoru jsou uvedeny v tabulce 5. Tab. 5. Vypočtené hodnoty výšek slunce nad horizontem a azimutů

τ h hmax A

16:50 (16,8) [°] 72,50 [rad] 0,09 [°] 5,18 [°] [rad] 1,25 [°] 71,66

16:00 (16,0) 60,00 0,22 12,54

15:00 (15,0) 45,00 0,36 20,44

14:00 (14,0) 30,00 0,47 26,77

1,07 0,84 0,59 61,57 48,41 33,72

PSČ [h:min] / [h] 13:00 12:00 11:00 (13,0) (12,0) (11,0) 15,00 0,00 -15,00 0,54 0,57 0,54 30,93 32,40 30,93 32,40 0,30 0,00 -0,30 17,40 0,00 -17,40

49

10:00 (10,0) -30,00 0,47 26,77

09:00 (9,0) -45,00 0,36 20,44

08:00 (8,0) -60,00 0,22 12,54

07:10 (7,2) -72,50 0,09 5,18

-0,59 -0,84 -1,07 -1,25 -33,72 -48,41 -61,57 -71,66


5.2.2

Postup sestrojení diagramu a posouzení proslunění:

1. Na základě situace a dispozičního řešení určíme nejkritičtější místnosti stavby z hlediska proslunění. V uvedeném příkladu se jedná o místnost 1.07. Pokud bude místnost 1.07 prosluněna, budou prosluněny všechny místnosti rodinného domu; 2. Středem okna posuzované místnosti vedeme spojnici mezi severem a jihem (obrázek 27 - červená čárkovaná přímka), kterou pootočíme ve směru hodinových ručiček o úhel meridiánové konvergence (obrázek 27 - červená plná přímka); 3. Pomocí vypočítaných hodnot azimutů Slunce pro jednotlivé hodiny (tabulka 5) vykreslíme půdorysné průměty slunečních paprsků dopadajících během dne a popíšeme je (obrázek 28); 4. Do diagramu zaneseme požadavek normy ČSN 73 4301, podle kterého sluneční paprsky musejí s fasádu svírat úhel minimálně 25° (obrázek 28 - hnědé polopřímky); 5. Vyneseme křivky převýšení jednotlivých stínících objektů (obrázek 29). Polohu těchto křivek je třeba určit výpočtem (tab. 6) podle vzorce 33: (33)

O h , i = H i⋅cotg h Tyto výpočty jsou shrnuty v následující tabulce: Tab. 6. Určení polohy křivky převýšení jednotlivých stínících objektů

h H1

[°]

PSČ [h:min] 16:50 16:00 15:00 14:00 13:00 12:00 11:00 10:00 09:00 08:00 07:10 5,18 12,54 20,44 26,77 30,93 32,40 30,93 26,77 20,44 12,54 5,18

[m]

1,0 – fiktivní překážka s převýšením 1,0 m vůči posuzovanému bodu

O1

[m]

H2

[m]

O2

[m]

H3

[m]

O3

[m]

11,04 4,49

2,68

1,98

1,67

1,58

1,67

1,98

2,68

4,49 11,04

2,44 – stínění vlastní konstrukcí 26,93 10,97 6,55

4,84

4,07

3,85

4,07

4,84

6,55 10,97 26,93

2,75 – stínění protější budovou 30,35 12,36 7,38

5,45

4,59

4,34

4,59

5,45

7,38 12,36 30,35

6. Stanovíme stínění hodnocené místnosti okolními překážkami na základě polohy stínících překážek a jim příslušných křivek převýšení. Pokud dojde k průniku křivky převýšení s jí příslušnou překážkou, stíní ty části stavby, které se nacházejí mezi křivkou převýšení a polohou posuzovaného bodu (obrázek 30); 7. Z diagramu odečteme dobu proslunění (obrázek 30) a posoudíme ji s normovými hodnotami. Dále na základě bilance prosluněných ploch určíme, zda je rodinný dům prosluněn. 50


Obr. 27. Proslunění stavby: tvorba diagramu zastínění – část 1

51


Obr. 28. Proslunění stavby: tvorba diagramu zastínění – část 2

52


Obr. 29. Proslunění stavby: tvorba diagramu zastínění – část 3

53


Obr. 30. Proslunění stavby: určení doby proslunění

Z výše uvedeného plyne, že místnost 1.07 je prosluněna po dobu 185 minut. Normou požadovaná minimální doba proslunění je 90 minut, a proto lze konstatovat, že místnost je prosluněna. Celková obytná plocha rodinného domu je přibližně 103 m 2 , z čehož 68 m 2 je prosluněno, to je celkem 66 % z celkové obytné plochy rodinného domu. Požadovaná hodnota 50 % je nižší než vypočtená, a proto je RD prosluněn. 54


5.2.3

Posouzení oslunění

Oslunění je posuzováno obdobně, jako je tomu u proslunění. Zásadním rozdílem ovšem je, že diagram zastínění je nutné otočit o 180° a křivky převýšení se následně používají pro stanovení délek stínů jednotlivých budov, směr stínů je dán půdorysným průmětem slunečních paprsků pro příslušnou hodinu (viz obrázek 31). Při vyhodnocení oslunění je třeba určit stíny vržené od všech budov (obrázek 32). Křivky převýšení se stanovují na základě převýšení, které je stanoveno od terénu.

Obr. 31. Oslunění pozemku – Ukázka vyhodnocení

55


Obr. 32. Oslunění pozemku – ukázka vyhodnocení

Z diagramu se určí pro jednotlivé řešené hodiny poměr osluněné plochy pozemku vůči ploše celkové. V dané době je pozemek osluněn v případě, že je osluněno alespoň 50 % pozemku. Postup se provádí pro jednotlivé hodiny dokud není prokázáno, že je pozemek osluněn alespoň 180 minut (ukázka posouzení je na obrázku 33). 56


Obr. 33. Ukázka - souhrn výsledků vyhodnocení oslunění pozemků sloužících k rekreaci v bezprostřední blízkosti obytných budov

57


5.3 VYHODNOCENÍ A POSOUZENÍ DENNÍHO OSVĚTLENÍ V MÍSTNOSTECH 5.3.1

Vzorce pro určení činitele denní osvětlenosti

Složky činitele denní osvětlenosti lze určit různými způsoby. V následujícím příkladu bude pro určení oblohové a vnější odražené složky činitele denní osvětlenosti využito Daniljukových úhlových sítí (diagramů) a k učení vnitřní odražené složky metoda Krochmannova-Kittlerova. Postup určení jednotlivých složek činitele denní osvětlenosti je následující: • oblohovou složku činitele denní osvětlenosti lze zjistit dosazením do následujícího vztahu: D s = N 1⋅N 2⋅k ε⋅τ ψ⋅10−2 (34) kde je: počet dílků Daniljukovy úhlové sítě v řezu. Hodnota této proměnné N1 se určí z Daniljukova diagramu pro řez, [- ] ; počet dílků Daniljukovy úhlové sítě v půdorysu. Hodnota této N2 proměnné se určí z Daniljukova diagramu pro půdorys, [- ] ; činitel gradace jasu při tmavém nebo světlém terénu. Hodnotu lze kε odečíst z Daniljukova diagramu pro řez po určení efektivního středu osvětlovacího otvoru, [ - ] ; souhrnný činitel prostupu a ztrát, [ -] ; τψ

τ ψ= τ s , ψn⋅τ z , i⋅τ z , e⋅τ k⋅τ γ⋅τ b⋅τ v (35) kde je: τ s , ψ činitel prostupu světla sklem nebo zasklením (určí se podle vztahu 34), [- ] ; počet skel v okenním otvoru (v případě tepelně izolačního zasklení n je n rovno 1), [ - ] ; činitel znečištění na vnitřní straně zasklení (dle ČSN 73 0580-1, τ z ,i tabulka P3), [ - ] ; činitel znečištění na vnější straně zasklení (dle ČSN 73 0580-1, τ z ,e tabulka P3), [ - ] ; činitel ztrát světla stíněním nosnými i nenosnými konstrukcemi τk otvorové výplně (určí se dle vztahu 35), [ - ] ; činitel ztrát světla zohledňující vliv stínících zařízení (hodnota této τγ proměnné je v případě žaluzií, které lze vytáhnout, rovna 1), [ - ] ; činitel ztrát zohledňující stínění vnitřních konstrukcí budovy, [- ] ; τb činitel ztrát světla zohledňující stínění vnitřních zařízení budovy,[ - ] . τv

58


(

τ s , ψ= τ s , nor⋅cos ψ⋅ 1+sin 2 kde je: τ s , nor

ψ 2

)

(36)

činitel prostupu světla dopadajícího kolmo na zasklení, [- ] . V dnešní době výrobci zasklení uvádějí hodnotu světelné propustnosti pro celou skladbu zasklení, proto není nutné počítat se světelnou propustností skla tloušťky 4 mm (0,92) nebo 6 mm (0,90).

Obr. 34. Ukázka udávaných hodnot světelné propustnosti zasklení (web: AGC) Tab. 7. Hodnoty činitele znečištění zasklení dle ČSN 73 0580-1 Druh osv. otvoru

Svislý

Sklon osv. otvoru

90°

Šikmý

45°

Vodorovný

τ k= kde je: As Ac

Znečištění vzduchu Malé (ext. krajina a sídliště do 2000 obyvatel) (int. byty, kanceláře,...) Střední (ext. běžné sídliště) (int. čisté dílny, sklady,...) Velké (ext. průmyslové zóny) (int. prašné dílny, ...) Malé Střední Velké Malé Střední Velké

As

τ z ,e τ z ,i 0,95 0,95 0,90 0,85 0,85 0,65 0,80 0,70 0,60 0,70 0,60 0,50

0,95 0,90 0,80 0,95 0,90 0,80

(37)

Ac

plocha zasklení osvětlovacího otvoru (tzv. plocha světelně propustného materiálu v otvoru), [ m2 ]; celková plocha osvětlovacího otvoru, [ m 2 ] . 59


Obr. 35. Určení činitele konstrukce osvětlovací soustavy

• Vnější odraženou složku lze určit pomocí následujícího vztahu: D e =N 1⋅N 2⋅k ε⋅τ ψ⋅10−3 (38) kde hodnoty proměnných mají stejný význam jako ve vztahu 34. Hodnota vnější odražené složky činitele denní osvětlenosti je tedy rovna jedné desetině oblohové složky, což je dáno poměrem jasů překážky k obloze. Anebo vztahem 39, kde se používá hodnota světelné odrazivosti překážky. (39)

D e =N 1⋅N 2⋅k ε⋅τ ψ⋅0,39⋅ρb

• Vnitřní odraženou složku činitele denní osvětlenosti lze zjistit buď metodikou BRS anebo metodikou Krochmana-Kittlera (vztah 41). 0.7

85⋅W 1.5 Di = ⋅( a1⋅ρ s⋅(1−sin z ) + a2⋅ρ s⋅ρ F⋅( 1+b⋅ρT )⋅sin z+ a3⋅ρT⋅ρh⋅cos z )⋅τnor (40) A⋅( 1−ρ )

kde je: W A ρ ρs

součet ploch zasklení osvětlovacích otvorů, [ m2 ]; plocha všech vnitřních povrchů (včetně oken), [ m2 ] ; průměrná hodnota odrazivosti všech vnitřních povrchů, [- ] ; průměrná hodnota odrazivosti povrchů ve spodní části místnosti, kromě stěny zahrnující osvětlovací soustavu, [- ] ; průměrná hodnota odrazivosti povrchů v horní části místnosti, kromě ρh stěny zahrnující osvětlovací soustavu, [ - ] ; ρT odrazivost terénu v blízkosti stavby, [- ] ; ρF průměrná hodnota odrazivosti povrchů vnější překážky, [ -] ; elevační úhel zastínění překážky v průměrném prostorovém úhlu z okna (obrázek 36), [ -] ; souhrnný činitel prostupu a ztrát, [- ] ; τ nor a 1, a 2, a 3, b konstanty, jsou zahrnuty v tabulce 8.

τ nor = τ s , norn⋅τ z , i⋅τ z ,e⋅τ γ⋅τ b⋅τ v

(41)

60


Tab. 8. Hodnoty konstant Konstanta a1 a2 a3 b

Pro určení průměrné hodnoty vnitřní odražené složky č.d.o. 0,785 1,240 1,475 4,000

Pro určení minimální hodnoty vnitřní odražené složky č.d.o. 0,5 1,0 1,0 1,0

Hodnoty odrazivostí vnitřních povrchů lze zjistit z následující tabulky. Tab. 9. Hodnoty odrazivostí povrchů dle barev (ČSN 73 0580-1) Povrch ρ [-] Povrch konstrukce Bílý 0,75 Krémový, béžový 0,60 Světle žlutý 0,60 Tmavě žlutý 0,50 Světle červený 0,40 Tmavě červený 0,15 Světle zelený 0,45 Tmavě zelený 0,05 Světle modrý 0,40 Tmavě modrý 0,05 Hnědý 0,12 Světle šedý 0,40 Tmavě šedý 0,15 Černý 0,01 Cihla 0,25 Písek světlý 0,50 Sádra bílá 0,80 Mramor bílý 0,55 Žula 0,40 Dřevo Světlé 0,30 Tmavé 0,15 Zeleň 0,05 Asfalt 0,10 Betonová dlažba 0,30 Zemina 0,08 Ocel 0,28 Hliník eloxovaný 0,75 Zrcadlo skleněné 0,80 Okno s čirým sklem 0,10 Okno s čirým sklem a bílou záclonou 0,30 Sníh 0,75 Hodnoty jsou uvedené pro čisté povrchy, není-li uvedeno jinak

61

0,80 0,70 0,70 0,60 0,50 0,30 0,65 0,20 0,60 0,20 0,25 0,60 0,20 0,03 0,92 0,80 0,50 0,50 0,25 0,10 0,20 0,85 0,90 0,40 0,80


V případě, že nejsou v projektové dokumentaci definovány barvy ani další vlastnosti povrchů, lze podle normy použít následující hodnoty odrazivostí: stěny 0,5, strop 0,7, stěna zahrnující osvětlovací soustavu 0,7, podlaha 0,3 a terén 0,1. Vnitřní odraženou složku činitele denní osvětlenosti v hloubce, ve které jsou umístěny posuzované body, lze vyjádřit následující rovnicí: 3⋅x 2 D i , x= D i , min + 2 ⋅( D i , m −D i , min ) (42) l kde je: D i ,min minimální hodnota vnitřní odražené složky činitele denní osvětlenosti zjištěná v místnosti, [ % ] ; D i , m průměrná hodnota vnitřní odražené složky činitele denní osvětlenosti zjištěná v místnosti, [ % ]; hloubka místnosti, [ m ] ; l vzdálenost posuzovaného bodu od stěny s osvětlovací soustavou, x [ % ].

Obr. 36. Vysvětlivka pro určení průměrné hodnoty odrazivostí povrchů ve spodní a horní části posuzované místnosti

62


5.3.2

Postup výpočtu

1. Do situace stavby vyneseme půdorys posuzované místnosti včetně polohy posuzovaných bodů (obrázek 37); 2. Spojíme polohu posuzovaných bodů s vnější nebo vnitřní hranou ostění osvětlovací soustavy (podle stínění) a prodloužíme si spojnice až k hranám vnějších překážek, abychom zjistili poměr stínění (šedé polopřímky) (obrázek 37); 3. Vytvoříme řez stavby, ve kterém jsou zobrazeny venkovní stínící překážky (obrázek 37); 4. Do řezu vyneseme posuzovanou místnost, včetně srovnávací roviny a polohy posuzovaných bodů. Posuzované body následně spojíme s vnější hranou nadpraží a vnitřní hranou parapetu (upozornění: platí to pouze v případě, že parapet je výš než srovnávací rovina, v opačném případě vyneseme rovnoběžku s podlahou z posuzovaného bodu (fialové polopřímky) (obrázek 37); 5. Dále spojíme posuzovaný bod s hranou vnější překážky, abychom zjistili rozsah stínění i v řezu (obrázek 37); 6. Na řez přiložíme Daniljukův diagram pro řezovou rovinu a odečteme počet dílků N 1 pro oblohou složku (obrázek 38) a vnější odraženou složku (obrázek 39). Protože hloubka posuzovaných bodů P 1 a P 2 je stejná, hodnoty N 1s a N 1e budou také stejné. V případě určení hodnoty N 1 platí, že odečítáme pouze celá a poloviční čísla, tzn. 13 a 13,5. Přesnější stanovení je vyloučeno; 7. Určíme efektivní střed okna, který se nachází v místě, kde se rovina zasklení protíná s osou, která je proložena posuzovaným bodem a středem počtu dílků N 1 přímé nebo odražené složky (tyrkysové čerchované úsečky v obrázcích 38 a 39); 8. Zjistíme korekci jasu oblohy. Průsečíky os a čerchovaných zelených křivek vyneseme na osu diagramu pomocí kružnic (růžové kružnice) a odečteme příslušné hodnoty. Stejně určíme i úhly ε a ψ pro stanovení světelně propustnosti zasklení pod úhlem, kterým zasklení propouští přicházející světlo; 9. Dále zjistíme upravenou polohu posuzovaných bodů pro použití Daniljukova diagramu v půdorysu P '1 a P '2 ; 10.Do půdorysu zaneseme upravenou polohu posuzovaných bodů a vytvoříme spojnice mezi posuzovaným bodem a ostěním osvětlovací soustavy (fialové úsečky na obrázcích 40, 41, 42 a 43); 11.Přiložíme Daniljukův diagram pro půdorys a odečteme příslušné hodnoty N 2 pro oblohovou a vnější odraženou složku v bodech P 1 a P 2 ; 12.Zjištěné hodnoty dosadíme do vzorců pro výpočet oblohové a vnější odražené složky č.d.o. Nakonec provedeme posouzení.

63


Obr. 37. Půdorys a řez stavby se zobrazením stínící budovy

64


Obr. 38. Řez stavbou při aplikaci diagramu podle Daniljuka pro řez. Zjištění příslušných hodnot pro určení oblohové složky činitele denní osvětlenosti

Obr. 39. Řez stavbou při aplikaci diagramu podle Daniljuka pro řez. Zjištění příslušných hodnot pro určení vnější odražené složky činitele denní osvětlenosti

65


Obr. 40. Půdorys místnosti při aplikaci diagramu podle Daniljuka pro půdorys. Zjištění příslušné hodnoty N2 pro určení oblohové složky č.d.o. v bodě P1

Obr. 41. Půdorys místnosti při aplikaci diagramu podle Daniljuka pro půdorys. Zjištění příslušné hodnoty N2 pro určení vnější odražené složky č.d.o. v bodě P1

66


Obr. 42. Půdorys místnosti při aplikaci diagramu podle Daniljuka pro půdorys. Zjištění příslušné hodnoty N2 pro určení oblohové složky č.d.o. v bodě P2

Obr. 43. Půdorys místnosti při aplikaci diagramu podle Daniljuka pro půdorys. Zjištění příslušné hodnoty N2 pro určení vnější odražené složky č.d.o. v bodě P2

67


5.3.3

Určení činitele denní osvětlenosti

• Stanovení hodnot činitelů prostupů a ztrát: ◦ činitel znečištění pro vnitřní stranu zasklení: τ z , i =0,95 -; ◦ činitel znečištění pro vnější stranu zasklení: τ z , e =0,95 -; ◦ činitel ztrát světla vlivem stínění konstrukcemi osvětlovací soustavy: Rozměry osvětlovacího otvoru: 1,50 · 1,25 m; Z toho jsou rozměry zasklení: 2 · 0,55 · 1,00 m ;

τ k=

As Ac

◦ ◦ ◦ ◦

=

2⋅0,55⋅1,0 =0,59 1,5⋅1,25

činitel ztrát světla vlivem stínících zařízení: τ γ =1-; činitel ztrát světla vlivem vnitřních konstrukcí stavby: τ b=1-; činitel ztrát světla vlivem vnitřních zařízení τ v =1-; činitel prostupu světla zasklením: ▪ pro určení oblohové složky činitele denní osvětlenosti v bodech P1 a P2 :

τ s , nor =0,58 - hodnota odpovídá zasklení Supersilver clear 6j-12 Air-6;

(

τ s , ψ= τ s , nor⋅cos ψ⋅ 1+sin2

ψ 18,10 ° =0,58⋅cos ( 18,10 ° )⋅ 1+sin 2 =0,565 2 2

(

)

)

▪ pro určení vnější odražené složky činitele denní osvětlenosti v bodech P 1 a P 1 :

τ s , nor =0,58 - hodnota odpovídá zasklení Supersilver clear 6j – 12 Air – 6;

(

τ s , ψ= τ s , nor⋅cos ψ⋅ 1+sin2

ψ 5,38° =0,58⋅cos ( 5,38° )⋅ 1+sin2 =0,578 2 2

(

)

)

• Určení oblohové složky činitele denní osvětlenosti v bodech P 1 a P 2 : ◦ výpočet souhrnného činitele ztrát:

τ ψ , s = τ s , ψn⋅τ z , i⋅τ z , e⋅τ k⋅τ γ⋅τ b⋅τ v =0,5651⋅0,95⋅0,95⋅0,59⋅1,0⋅1,0⋅1,0=0,30 Hodnota oblohové složky činitele denní osvětlenosti v bodě P 1 :

D s ,P =N 1s , P ⋅N 2s , P ⋅k ε , s⋅τ ψ , s⋅10−2=4⋅33,5⋅0,7⋅0,3⋅10−2=0,28 % 1

1

1

68


Hodnota oblohové složky činitele denní osvětlenosti v bodě P2: D s ,P =N 1s, P ⋅N 2s , P ⋅k ε , e⋅τ ψ , e⋅10−2=4⋅30⋅0,7⋅0,3⋅10−2=0,25 % 2

2

2

• Určení vnější odražené složky činitele denní osvětlenosti v místě posuzovaných bodů P 1 a P 2 : ◦ výpočet souhrnného činitele ztrát:

τ ψ , e = τ s , ψn⋅τ z , i⋅τ z , e⋅τ k⋅τ γ⋅τ b⋅τ v =0,5781⋅0,95⋅0,95⋅0,59⋅1,0⋅1,0⋅1,0=0,31 Hodnota vnější odražené složky činitele denní osvětlenosti v bodě P 1 :

D e , P =N 1e , P ⋅N 2 e , P ⋅k ε ⋅τ ψ , e⋅10−3=0,5⋅34⋅0,51⋅0,31⋅10−3=0,003 % 1

1

1

e

Hodnota vnější odražené složky činitele denní osvětlenosti v bodě P 2 :

D e , P = N 1 e , P ⋅N 2 e , P ⋅k ε ⋅τ ψ , e⋅10−3=0,5⋅30⋅0,51⋅0,31⋅10−3=0,002 % 2

2

2

e

• Určení vnitřní odražené složky činitele denní osvětlenosti: ◦ výpočet souhrnného činitele ztrát:

τ ψ , i = τ s , norn⋅τ z ,i⋅τ z , e⋅τ γ⋅τ b⋅τ v =0,581⋅0,95⋅0,95⋅1,0⋅1,0⋅1,0=0,523◦ výpočet průměrné hodnoty světelné odrazivosti povrchů: Tab. 10. Výpočet průměrné hodnoty světelné odrazivosti všech povrchů Povrch

Světelná odrazivost [-] 0,30 0,70 0,50 0,70 0,05

Podlaha Strop Stěny Stěna s oknem Okno Celkem Průměrná hodnota světelné odrazivosti ρ

69

Rozměry plochy a b [m] [m] 4,12 2,47 4,12 2,47 2,58 10,71 2,62 2,47 1,25 1,50

Plocha · 2 [m ] odrazivost 10,18 3,05 10,18 7,12 27,58 13,79 4,60 3,22 1,88 0,09 54,40 27,28 0,50

Plocha


Tab. 11. Výpočet průměrné hodnoty světelné odrazivosti povrchů ve spodní polovině Světelná odrazivost [-] 0,30 0.50

Povrch

Podlaha Stěny Celkem Průměrná hodnota světelné odrazivosti ρs

Rozměry plochy a b [m] [m] 4,12 2,47 1.38 10.71

Plocha · [m2] odrazivost 10,18 3,05 14.73 7,36 24.90 10.42 0,42

Plocha

Tab. 12. Výpočet průměrné hodnoty světelné odrazivosti povrchů v horní polovině Světelná odrazivost [-] 0,70 0,50

Povrch

Strop Stěny Celkem Průměrná hodnota světelné odrazivosti ρh

Rozměry plochy a b [m] [m] 4,12 2,47 1.2 10.71

Plocha · 2 [m ] odrazivost 10,18 7.12 12.85 6.42 23.03 13.55 0.59

Plocha

◦ Průměrná hodnota vnitřní odražené složky č.d.o.: 0,7

85⋅W 1.5 Di , m= ⋅(a1⋅ρs⋅(1−sin z ) +a 2⋅ρs⋅ρF⋅(1+b⋅ρT )⋅sin z +a 3⋅ρT⋅ρh⋅cos z )⋅τψ , i = A⋅(1−ρ) 0,7 85⋅1,1 1,5 = ⋅( 0,785⋅0,42⋅(1−sin 8 °) +1,240⋅0,42⋅0,35⋅(1+ 4⋅0,1)⋅sin 8 ° + 54,4⋅(1−0,50) + 1,475⋅0,1⋅0,59⋅cos 8 ° )⋅0,523=3,34⋅(0,261+0,036+ 0,086)⋅0,523=0,67 %

◦ Minimální hodnota vnitřní odražené složky č.d.o.: 0,7

85⋅W 1.5 ⋅(a1⋅ρ s⋅(1−sin z) + a 2⋅ρ s⋅ρ F⋅(1+b⋅ρT )⋅sin z+ a3⋅ρT⋅ρh⋅cos z)⋅τ ψ ,i = A⋅(1−ρ ) 0,7 85⋅1.1 1,5 = ⋅( 0,5⋅0,42⋅(1−sin 8° ) +1,0⋅0,42⋅0,35⋅(1,0+1⋅0,1)⋅sin 8° + 54,4⋅(1−0,50) + 1,0⋅0,1⋅0,59⋅cos 8° )⋅0,523=3,34⋅(0,166+0,023+0,058)⋅0,523=0,43% D i , min=

◦ Hodnota vnitřní odražené složky č.d.o. v místě posuzovaných bodů: 2

2

3⋅x 3⋅2,085 D i , x= Di , min+ 2 ⋅( Di , m− Di , min)=0,43+ 2 ⋅(0,67−0,43)=0,61% l 4,17

Nakonec určíme celkovou hodnotu činitele denní osvětlenosti v místě posuzovaných bodů P 1 a P 2 a provedeme posouzení dle platných ČSN: D P =D s , P + D e , P + Di , x =0,28+ 0,003+0,61=0,893 %⇒ zaokrouhlení 1

1

1

70


D P =0,9 %⩾0,7 %⇒ zaokrouhlení 1

D P =D s , P + D e , P + D i , x =0,25+0,002+0,61=0,862 % D P =0,9 %⩾0,7 %⇒ požadavek splněn 2

2

2

2

D m,1 ,2=

D P + D P 0,9+0,9 = =0,90 %⩾0,9 %⇒ požadavek splněn 2 2 1

2

V místnosti jsou tedy splněny všechny požadavky, které jsou kladeny na denní osvětlení obytných místností.

71


6

REFERENCE

6.1 KNIHY A DALŠÍ ODBORNÉ PUBLIKACE E. Andre, J. Schade, Daylighting by Optical Fibres, Luleå University of Technology, Luleå, 2002. P. Boyce, P. Raynham, SLL Lighting Handbook, London: CIBSE, 2009. S. Darula, R. Kittler, M. Kocifaj, J. Plch, J. Mohelníková, F. Vajkay, Osvětlování světlovody, 1. vyd., Praha, Praha: Grada Publishing, a.s., 2009. D. Donaťáková, Stavební akustika a denní osvětlení – Modul 02 Denní osvětlení, Brno, 2010. P. Horňák, Svetelná technika, Bratislava, ČSSR: ALFA - Vydavateľstvo technickej a ekonomickej literatúry, 1989. D. Ilkovič, Fyzika, 3. vyd., Bratislava, Bratislava: SVTL - Slovenské vydavateľstvo technickej literatúry, 1962. G. Khan, Interactive Ray Tracing Tutorial System, The University of Manchester, Manchester, UK, 2007. R. Kittler, L. Kittlerová, Návrh a hodnotenie denného osvetlenia, Bratislava: Alfa, 1975. W. Koch, Evropská architektura: Encyklopedie evropské architektury od antiky po současnost, 2. vyd., Prague: Euromedia Group, k. s. – Universum, 2008, p. 552. A. A. Kokhanovsky, Light Scattering Reviews 3: Light Scattering and Reflections, Chichester: Praxis Publishing Ltd., 2008. J. Kuběna, Úvod do optiky, Brno: MUNI v Brně, 1994. G. W. Larson, R. Shakespeare, Rendering with RADIANCE, The Art of Science of Lighting Visualization, Booksurge Llc., 2004. F. Moore, Concepts and Practice for Architectural Daylighting, New York: Van Nostrand Reinhold, 1985, p. 290. D. Phillips, Daylighting: natural light in architecture, Amsterdam: Elsevier, 2004, p. 212. P. Rybár, F. Šesták, M. Juklová, J. Hraška, J. Vaverka, Denní osvětlení a oslunění budov, Brno: ERA group spol. s.r.o., 2002. F. W. Sears, M. W. Zemansky, University Physics, 2 vyd., Boston, Massachusetts: Addison-Wesley Publishin Company, Inc., 1965. Tuminating Engineering Society of North America, The IESNA Lighting Handbook, 9. vyd., J. Block, Ed., New York, New York: Illuminating Engineering Society of North America, 2000. F. Vajkay, Optimisation of Light Conditions in Buildings, Dizertační práce, Brno, 2013.

72


6.2 ČLÁNKY NA KONFERENCÍCH A V ČASOPISECH H. Altan, I. Ward, J. Mohelníková, F. Vajkay, Computer Daylight Simulations in Buildings, in 7th WSEAS International Conference on System Science and Simulation in Engineering (ICOSSE '08), Venice, 2008. S. Darula, R. Kittler, CIE General sky standard defining luminance distributions, Moon, 2002. J. Kaňka, Stanovení činitele denní osvětlenosti svislé roviny okna Waldramovým diagramem upraveným v ČVUT Praha, Světlo 1/2002, vol. 1, pp. 18-19, 01 2002. J. Kaňka, Inovovaný způsob použití Daniljukovy metody, Světlo 4/2011, vol. 4, pp. 44-46, 06 2011. J. Kaňka, Deklinace Slunce v průběhu desetiletí, Světlo 1/2012, vol. 1, pp. 48-49, 01 2012. M. D. Kroelinger, Daylight in Buildings: Guidelines for Design, Implications A Newsletter for InformeDesign, vol. Volume 3, no. Issue 3, pp. 1-7, March 2005. M. R. Lautenbach, M. L. Vercammen, Reflections at Room Boundaries in Computer Simulation Programs Based on Ray-tracing, NAG/DAGA congres, 2009. J. Mohelníková, J. Plch ,S. Darula, The Flux Method for Determination of Indoor Illuminance from Tubular Light Guides, Building Research Journal, Volume 55, p. 12, 2007. J. Mohelníková, F. Vajkay, Simulace denní osvětlení místnosti, Simulace budov a techniky prostředí 2008, 5. národní konference s mezinárodní účastí, Brno, 2008. M. Paroncini, B. Calcagni,F . Corvaro, Monitoring of a light-pipe system, Solar Energy, vol. Volume 81, no. Issue 9, pp. 1180-1186, 09 2007. P.-R. Preussner, Ray tracing for power IOL calculations, Cataract & Refractive Surgery Today Europe, pp. 46-48, 05 2012. 6.3 ZÁKONY A NORMY Vyhláška č. 268/2009 sb. O technických požadavcích na stavby, Praha: Ministerstvo pro místní rozvoj, 2009. Vyhláška č. 20/2012 sb., kterou se mění vyhláška č. 268/2009 Sb., o technických požadavcích na stavby, Praha: Ministerstvo pro místní rozvoj, 2012. Vyhláška č. 26/1999 Sb. hl. m. Prahy o obecných technických požadavcích na výstavbu v hlavním městě Praze, Praha, 1999. Nařízení vlády č. 361/2007 Sb. kterým se stanoví podmínky ochrany zdraví při práci, Praha: Ministerstvo pro místní rozvoj, 2007. British Standard, BS 8206-2:2008 Lighting for buildings – Part 2: Code of 73


practice for daylighting, London: British Standards Institution, 2008. Česká technická norma, ČSN EN 12464-1 Světlo a osvětlení - Osvětlení pracovních prostorů - Část 1: Vnitřní pracovní prostory, Praha: Český normalizační institut, 2012. Česká technická norma, ČSN EN 12665 Světlo a osvětlení - Základní termíny a kritéria pro stanovení požadavků na osvětlení, Praha: Český normalizační institut, 2012. Česká technická norma, ČSN 36 0020 Sdružené osvětlení, Praha: Český normalizační institut, 2007. Česká technická norma, ČSN 73 4301 Obytné budovy, Praha: Český normalizační institut, 2004. Česká technická norma, ČSN 73 0580 Denní osvětlení budov - Část 1: Základní požadavky, Praha: Český normalizační institut, 2004. Česká technická norma, ČSN 73 0580 Denní osvětlení budov - Část 2: Denní osvětlení obytných budov, Praha: Český normalizační institut, 2004. Česká norma, ČSN 73 0580 Denní osvětlení budov. Část 3: Denní osvětlení škol, Praha: Český normalizační institut, 1994. Česká norma, ČSN 73 0580 Denní osvětlení budov. Část 4: Denní osvětlení průmyslových budov, Praha: Český normalizační institut, 1994. Česká technická norma, ČSN 73 0581 Oslunění budov a venkovních prostor - Metoda stanovení hodnot, Praha: Český normalizační institut, 2009. Commission Internationale de l’Eclairage, CIE DS 011.2/E:2002 Spatial distribution of daylight - CIE standard general sky, Vienna: Commission Internationale de l’Eclairage, 2002. 6.4 ZDROJE NA WEBU A. Bittis, Translucent Concrete by Andreas Bittis, 2004. url: http://www.andreasbittis.de/grafiken/tcbrochure_en.pdf. AGC Glass Europe, url: http://www.agc-glass.eu/Czech/Homepage/Home/page.aspx/1586 Autodesk, Sky Conditions & Precipitation, url: http://sustainabilityworkshop.autodesk.com/buildings/sky-conditionsprecipitation. R. Chadwell, The RADIANCE Lighting Simulation and Rendering System, 14 08 1997. url: http://radsite.lbl.gov/radiance/framew.html. Dornob Design Ideas Daily, Windowless Daylight: Fiber Optics Project Sun & Sky Inside, url: http://dornob.com/windowless-daylight-fiber-opticsproject-sun-sky-inside/. KLAHOS spol. s r.o., Pásové střešní světlíky dodají světlo do každé haly, url:http://www.klahos.cz/editor/filestore/Image/svetliky/images/pasovysvetlik.png

74


La Forêt Engineering Co.,Ltd., HIMAWARI Solar Lighting System, 2006. url: http://www.himawari-net.co.jp/e_page-index01.html. Losonczi Áron, A fényáteresztő beton, url: http://epiteszforum.hu/a-fenyatereszto-beton The National Aeronautics and Space Administration, SP-402 A New Sun: The Solar Results From Skylab, 1979. url: http://history.nasa.gov/SP402/contents.htm. The National Astronomical Observatory ROZHEN, Solar Observations in Bulgaria, url: http://sob.nao-rozhen.org/content/cross-section-sun-sob. The National Institute of Standards and Technology, The National Institute of Standards and Technology, url: http://www.nist.gov/index.html. OMS, OMS - Lighting uniformity, url:http://www.omslighting.com/lqs/464/lqs- methodology/ergonomics/lightin g-uniformity. L. M. Triplett, Beneficial Bugs of North Amerika, url: http://beneficialbugs.org. L. Vandevenne, Lode's Computer Graphics Tutorial, 12 08 2007. [Online]. url: http://lodev.org/cgtutor/raycasting.html. Wikipedia, The Sun, 2012. url: http://en.wikipedia.org/wiki/The_sun.

75


7

PŘÍLOHY

7.1 DANILJUKŮV DIAGRAM PRO PŮDORYS

Obr. 43. Daniljukův diagram pro půdorys

76


7.2 DANILJUKŮV DIAGRAM PRO ŘEZ

Obr. 43. Daniljukův diagram pro řez

77


78


79


80


Aut or :I ng. Fr ant i šekVaj kay , Ph. D. Bř ez en2014 I SBN9788021448803

Stavební fyzika – Světelná technika v teorii a praxi  

Publikace Stavební fyzika – Světelná technika v teorii a praxi, ISBN 978-80-214-4880-3. Autor: František Vajkay.

Stavební fyzika – Světelná technika v teorii a praxi  

Publikace Stavební fyzika – Světelná technika v teorii a praxi, ISBN 978-80-214-4880-3. Autor: František Vajkay.

Advertisement