Daylighting_M

 


תכנון תאורה טבעית לנוחות ויזואלית ושימור אנרגיה במשרדים

תזת דוקטורט של ערן קפטן (חלק ראשון)
מאת: ערן קפטן, המנחה: פרופ’ אביתר אראל
אוניברסיטת בן גוריון, מחלקת אדם במדבר, אוקטובר 2012

 

תקציר

מעטפת בניין עם שטחי זיגוג נרחבים הינה כעת מאפיין אדריכלי מבוקש. אולם, מאפיין זה כלל אינו מבטיח תאורה טבעית משופרת, כפי שלעיתים נטען. למעשה, לעיתים תכופות הוא גורם לסנוור. כתוצאה, במקרים רבים רפפות הצללה או וילונות מכסים את החלונות באופן קבוע, בעת שהתאורה החשמלית מופעלת באופן מלא לאורך כל שעות היום. המחקר כולל שני חלקים: הראשון, בחינת פתרונות תאורה טבעית במשרדים באזורים שטופי שמש, לצורך גיבוש המלצות (בעיקר תפקודיות ומרשמיות), וכן כמקרה בוחן של תהליך מחקר. מנקודת מבטו של האדריכל, להמלצות תפקודיות ומרשמיות חסרונות, מכיוון שאינן מלמדות כיצד לתכנן פתרונות אופטימאליים או חדשניים. לכן, בנוסף, החלק השני של המחקר עוסק בפיתוח המלצות מתודולוגיות, לשילוב מחקר תאורה טבעית בתהליך התכנון האדריכלי.

החלק הראשון כלל סקר במשרדים מאוכלסים וניסוי מבוקר. סקר המשרדים נערך בכדי לזהות סיבות לשימוש בתאורה חשמלית במשרדים בישראל, שבהם ניתן היה להשיג שימור אנרגיה משמעותי על ידי השימוש בתאורה טבעית, וכן בכדי לבחון שיטות שונות לעריכת סקר. הסקר אישש את ההנחה כי משרדים רבים מאופיינים באי-נוחות ויזואלית: כאשר רפפות ההצללה או הוילונות פתוחים, סנוור משפיע לרעה על איכות סביבת העבודה; וכאשר הם סגורים, רמת התאורה הטבעית נמוכה מדי, ולפיכך נדרשת תאורה חשמלית. הניסוי המבוקר נערך בכדי לבחון את ההשפעה המשולבת של מספר אמצעים לבקרת התאורה טבעית על נוחות וויזואלית ושימור אנרגיה במשרדים באזורים שטופי שמש; ובכדי לבחון את כושר החיזוי של מדדי סנוור שונים באזורים שטופי שמש. הניסוי, אשר כלל 59 משתתפים, נערך בחדר ניסוי המדמה משרד אופייני, אשר הואר באופן טבעי. הנוחות הוויזואלית נבחנה באמצעות מדידות אור אובייקטיביות ומענה סובייקטיבי לשאלונים. הניסוי הראה כי ההשפעה של זכוכית בעלת גוון מעט כהה וכיוון עמדות עבודה על הנוחות הוויזואלית הינה מתונה למדי. ההשפעה של רפפות ונציאניות על הנוחות הוויזואלית הינה חיובית (אולם רפפות דורשת כיוון תדיר, אשר בפועל מתבצע לעיתים רחוקות בלבד). מדף אור ומתחתיו רפפות סגורות יכולים לספק תאורה טבעית איכותית ביותר: רמת סנוור נמוכה בעמדות העבודה ועוצמת הארה טבעית גבוהה יחסית בעומק המשרד. המשתתפים היו מרוצים מעוצמות הארה גבוהות יחסית על שולחן העבודה, הרבה מעל המינימום המומלץ בתקן התאורה הבינלאומי 8995 ISO לעבודה משרדית. בעוד שהמדדים DGI, UGR, CGI, ו- VCP יכולים להבחין בין תחושת סנוור לבין העדר סנוור, הם פחות יעילים בהבחנה בין עוצמות סנוור שונות. בניגוד לכך, נמצא כי מדד התאורה הטבעית להסתברות לסנוור (DGP), אשר תוכנן במיוחד לסביבת תאורה טבעית נמצא יעיל גם בישראל – למרות שנבנה על סמך סקרים אשר נערכו בגרמניה ודנמרק, מדינות עם שמים מעוננים יחסית, כאשר נעשה שימוש ברפפות ונציאניות במרבית מהזמן.  לבסוף, המסקנות מסקר המשרדים ומהניסוי המבוקר הובילו לגיבוש המלצות עבור הסביבה שטופת השמש בישראל: הנחיות לאדריכלים, אשר הוגשו למשרד התשתיות הלאומיות הישראלי; והצעה לעדכון סעיף התאורה הטבעית בתקן הישראלי לבנייה בת-קיימה 5281.

 

D1_Design-Problem

Design Problem: extensive glass facades, a popular architectural feature, create a very problematic visual conditions due to glare (left) or façade covered by curtains, with no use of daylight but merely artificial lights (right).

 


Methodological Problem: research in architectural practice encounters difficulties since most daylighting research methodologies and tools designed for academia. However, the academic research process is fundamentally different from processes in architectural practice.

Methodological Problem: research in architectural practice encounters difficulties since most daylighting research methodologies and tools designed for academia. However, the academic research process is fundamentally different from processes in architectural practice.

 


Glare Analysis Methodology: measurements and analysis of glare were carried out by using High Dynamic Range Photography (Left) to generate Luminance Map (Right).

Glare Analysis Methodology: measurements and analysis of glare were carried out by using High Dynamic Range Photography (Left) to generate Luminance Map (Right).

 


Field Survey of Offices : luminance map (left) and glare analysis (right) of case study # 015.   The office suffers from problematic visual conditions: when blinds open, glare negatively affect the working environment quality; and when they are closed, the natural illuminance is low, requiring artificial lights. As a side effect, desirable view outside will often be blocked by shading systems due to glare.

Field Survey of Offices: luminance map (left) and glare analysis (right) of case study # 015.
The office suffers from problematic visual conditions: when blinds open, glare negatively affect the working environment quality; and when they are closed, the natural illuminance is low, requiring artificial lights. As a side effect, desirable view outside will often be blocked by shading systems due to glare.

 


A Controlled Experiment on Daylighting: a statistical survey of visual comfort in a controlled office environment; including objective measurements (left) and subjective responses to a questionnaire (middle), carried out simultaneously in two identical rooms (right).

A Controlled Experiment on Daylighting: a statistical survey of visual comfort in a controlled office environment; including objective measurements (left) and subjective responses to a questionnaire (middle), carried out simultaneously in two identical rooms (right).

 


Selected Results -- A light shelf: A light shelf located between upper daylight windows and lower view windows, with blinds closed when low solar, was found as good means for providing sufficient natural illuminance without glare.

Selected Results — A light shelf: A light shelf located between upper daylight windows and lower view windows, with blinds closed when low solar, was found as good means for providing sufficient natural illuminance without glare.

 


Selected Results -- Validation of Glare Indices for Sunny Regions: A clear relationship identified between measurements and the subjects’ assessment of glare, enables safer use of these indices for daylighting design and research in sunny regions.

Selected Results — Validation of Glare Indices for Sunny Regions: A clear relationship identified between measurements and the subjects’ assessment of glare, enables safer use of these indices for daylighting design and research in sunny regions.

 

 


A Fundamental Daylight Solutions: a part of recommendations (in Hebrew) for better design of daylighting in sunny regions, available at  http://www.bgu.ac.il/CDAUP/daylighting-guidelines-hebrew.pdf (Prof. Evyatar Erell & Dr. Eran Kaftan. 2011. The Israeli Ministry of National Infrastructures. 50p.).

A Fundamental Daylight Solutions: a part of recommendations (in Hebrew) for better design of daylighting in sunny regions, available at http://www.bgu.ac.il/CDAUP/daylighting-guidelines-hebrew.pdf (Prof. Evyatar Erell & Dr. Eran Kaftan. 2011. The Israeli Ministry of National Infrastructures. 50p.).

 


פרסומים רלוונטיים 

קפטן, ערן. 2012. תכנון תאורה טבעית לנוחות ויזואלית ושימור אנרגיה במשרדים ופיתוח שיטות למחקר-מעשי בתכנון אדריכלי. תזת דוקטורט. אוניברסיטת בן גוריון בנגב.

אראל, א. וקפטן, ע. 2011. נוחות ויזואלית וחיסכון באנרגיה במשרדים עם תאורה טבעית באזורים שטופי שמש – דוח מחקר. בהוצאת משרד התשתיות הלאומיות, ישראל.

אראל, א. וקפטן, ע. 2011. נוחות ויזואלית וחיסכון באנרגיה במשרדים עם תאורה טבעית באזורים שטופי שמש — הנחיות למתכננים. בהוצאת משרד התשתיות הלאומיות, ישראל.

פרויקט השנה, קטגוריית מחקר, פרס אמיליו אמבז לבניה ירוקה (בניהול מגזין אדריכלות ישראלית), “מיצוב עמדות עבודה באזורים שטופי שמש” (בשיתוף עם פרופ’ אביתר אראל). פורסם במגזין אדריכלות ישראלית 91, עמ’ 65 ו- 68, 2012.

קפטן ערן. 2014. מחקר-מעשי כחלק מתהליך תכנון תאורה טבעית בבתי ספר. חשמל ואנשים, כתב עת של התאגדות מהנדסי חשמל ואלקטרוניקה בישראל. גיליון 50, מאי 2014, עמודים 8-12.

קפטן ערן. 2015. מדע ואומנות תכנון תאורה טבעית. חשמל ואנשים, כתב עת של התאגדות מהנדסי חשמל ואלקטרוניקה בישראל. גיליון 56, יולי 2015, עמוד 50.