מחקר – תכנון תאורה טבעית

מסגרת: תזת דוקטורט של אדר' ד"ר ערן קפטן (חלק ראשון), אוניברסיטת בן גוריון, מחלקת אדם במדבר.
בהנחיית: פרופ' אביתר אראל.
שנים: 2007-2012

תכנון תאורה טבעית אפקטיבי דורש ידע מעמיק — שלרוב נעדר בקרב המתכננים

רקע כללי

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, או לחלופין איכות העבודה נפגעת.

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

שיטת מדידות סינוור

מדידות וניתוח מידת הסנוור בוצעו באמצעות צילום בטווח דינמי גבוה, ליצירת מפת בהירות (לומיננס), המאפשרת הערכת הסנוור.

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

סקר תאורה טבעית במשרדים

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.

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

ניסוי מבוקר -תאורה טבעית

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.

a statistical survey of visual comfort in a controlled office environment; including objective measurements (left) and subjective responses to a questionnaire (right), carried out simultaneously in two identical rooms

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

**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

הנחיות למתכננים

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.

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.)

כתבות ופרסומים

לרשימת פרסומים – לחץ לפתיחה

Erell, Evyatar & Kaftan, Eran & Garb, Yaakov. (2014). Daylighting for Visual Comfort and Energy Conservation in Offices in Sunny Regions. Conference: 30th PLEA International Conference – Sustainable Habitat for Developing SocietiesAt: Ahmedabad, India.
Wienold, J., Iwata, T., Sarey Khanie, M., Erell, E., Kaftan, E., Rodriguez, R., … Andersen, M. (2019). Cross-validation and robustness of daylight glare metrics. Lighting Research & Technology, 51(7), 983–1013. The paper received the Leon Gaster Award from the Society of Light and Lighting (CISBE).
Geraldine Quek, Jan Wienold, Mandana Sarey Khanie, Evyatar Erell, Eran Kaftan, Athanasios Tzempelikos, Iason Konstantzos, Jens Christoffersen, Tilmann Kuhn, Marilyne Andersen. 2021. Comparing performance of discomfort glare metrics in high and low adaptation levels. Building and Environment, Volume 206, 2021.
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. 2015. מדע ואומנות תכנון תאורה טבעית. חשמל ואנשים, כתב עת של התאגדות מהנדסי חשמל ואלקטרוניקה בישראל. גיליון 56, יולי 2015, עמוד 50.