---

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.

---

---

---

---

---

---

---

---

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.

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.

---

 

---

 פיתוח שיטות למחקר-מעשי בתכנון אדריכלי

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

 

תקציר

החלק השני של המחקר כלל מטא-ניתוח (של החלק הראשון), סינתזה (עם מספר מאפייני תכנון של תאורה טבעית), ופיתוח מהלך עבודה לתכנון תאורה טבעית וביצוע מחקר מעשי בפרקטיקה האדריכלית.

המטא-ניתוח כלל ניתוח נוסף (מעבר לניתוח הבסיסי אשר הוצג בחלק הראשון של המחקר), במיוחד ניתוח לחשיפת ידע חבוי והערכה של התאמת תהליך מחקר אקדמי גם לצורכי מחקר מעשי. נמצא כי שלבי המחקר דומים: אולם למרות שהם בנויים משלבים דומים בסדרם, יש שוני משמעותי בין תהליך המחקר באקדמיה לתהליך בפרקטיקה, במיוחד במטרות ובהיקף מרבית השלבים. הסינתזות תוכננו לגשר על פער ידע בין מידע ממוקד אשר נרכש באמצעות החלק הראשון של המחקר והמידע המקיף הנדרש לפיתוח בחלק השני. הסינתזות כללו תחילה הרחבת סקר הספרות בתחומים שונים, המשיקים לשאלות המחקר המשניות. לאחר מכן מידע זה שולב עם המידע הממוקד אשר נרכש במחקר התאורה הטבעית הבסיסי והמטא-אנליזה, לפיתוח המלצות מתודולוגיות. שיטות אלו אורגנו למהלך עבודה לתכנון תאורה טבעית. מהלך העבודה מציע שילוב משופר של מחקר בתהליך התכנון האדריכלי, באמצעות תפיסה כוללנית של ארגון המטלות הרלוונטיות הנדרשות לתכנון יעיל של תאורה טבעית. זאת בהתאם לאופי המומחיות הנדרשת (תכנון אדריכלי, ייעוץ, ומחקר מעשי), וכן בהתאם לשלבי התכנון האדריכליים. מהלך העבודה מציע בפירוט תהליך לביצוע מחקר תאורה טבעית בפרקטיקה, על ידי שימוש בכלים מדעיים (בעיקר הדמיות תאורה טבעית). מחקר זה מבוסס על שיטות מחקר אקדמי או יישומי, אשר הותאמו לאופי הפרקטיקה האדריכלית. אולם, מכיוון שהיקף ומטרות מחקר זה שונות באופן ניכר מאלו של מחקר אקדמי או יישומי, המונח “מחקר מעשי” מוצע לתהליך חקירתי מעין זה. תהליך התכנון יכול להכיל מספר מחקרים מעשיים עצמאיים וקצרי מועד.

מהלך העבודה המוצע יכול לשמש בסיס לפיתוח עתידי של מערכת מומחה, המאפשרת לאדריכלים ומומחים תמיכה בתהליכי תכנון תאורה טבעית ומחקר מעשי. מהלך העבודה יכול להיות מיושם באמצעות התאמות רלוונטיות לתחומי תכנון אחרים כגון תכנון הצללה, מאפיינים תרמיים, מאפיינים אקוסטיים, ואוורור טבעי, ובכך לתמוך בתחום האדריכלות הנותנת דגש על תפקוד הבניינים.

 

 

---

 

 

---

 

פרסומים רלוונטיים

פרויקט השנה- ציון לשבח, קטגוריית מחקר, פרס אמיליו אמבז לבנייה ירוקה (בניהול מגזין אדריכלות ישראלית), “שילוב מחקר פרקטי בתהליך התכנון”. פורסם במגזין אדריכלות ישראלית 96, עמ’ 92, 2014.

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.

---

 

---

המודל הנקודתי להצללה אופטימאלית

תזת תואר שני של ערן קפטן
בהנחיית: נדר חלפון, יוגליק מרטין, פרד מטר, מדלין לארי, והריס סובין.
אוניברסית אריזונה, המחלקה לאדריכלות, 2001

למרות העידן הממוחשב, עדיין מקובל בארץ ובעולם לתכנן אמצעי הצללה בעזרת הנחיות כלליות או חישובים פשוטים. אולם, כלים אלו אינם מספקים מענה מדויק לפתרון דילמת ההצללה האופטימאלית — מחד גיסא מניעת כניסת קרינת השמש לחלל המבנה בעונה החמה, ומאידך גיסא, הכנסת קרינת השמש בעונה הקרה.

השיטה השכיחה לתכנן הצללה הינה באמצעות שיטת ניסוי-וטעייה (trail-and-error). בשיטה זאת, האדריכל תחילה מתכנן חלופת הצללה, לאחר בודק אותה באמצעות הדמיית הצללה ממוחשבת, ובמידת הצורך הוא עורך שינויים בתכנון. ישום שיטה זאת יכול להתבצע באמצעות רוב התוכנות, כאשר עובדים עם מודל תלת ממדי (לדוגמא באמצעות תכונת Google SketchUp). שיטה זאת בעיתית מכיוון שנדרש ידע וניסיון בכדי להציע שינויים בתכנון (המודל הממוחשב אינו מציע אותם), ושיטת הבדיקה אינה חד-משמעית (משמע המתכנן נדרש להחליט מתי הצללה רצויה). מספר “כללי אצבע”, כגון תכנון על פי זוויות השמש ביום המפריד “Cutting Day”, מאפשרים תכנון מושכל יותר.

המודל החישוב הנקודתי להצללה מאפשר פתרון לבעיות אלו, והמהווה גישה חדשנית לתכנון אמצעי הצללה אופטימאליים. המודל מאפשר מיפוי החלל החיצוני בסמוך לפתחי הבניין בהתאם למדד החשיבות, לספק צל, או לחילופין, מעבר קרינת שמש, בתקופה מסוימת. המיפוי מספק למתכנן את המידע החיוני לקביעת צורת ההצללה האופטימאלית, מבטל את הצורך בתהליך חזרתי של ניחוש – ובדיקה, ומאפשר שימור אנרגיה מקסימאלי מבלי לפגוע בחופש העיצוב. התהליך הממוחשב כולל חלוקת החלל החיצוני ליחידות בדיקה קטנות על ידי רשת מרחבית תלת-ממדית תיאורטית. בכל יחידות הבדיקה נבדקת רמת החשיבות הרגעית לספק צל או לחילופין לאפשר מעבר קרינת שמש, בכל שעה משעות התקופה הנבדקת. לבסוף, התוצאות מהבדיקות בשעות השונות משוקללות בכל יחידות הבדיקה לערכים המייצגים את תקופת הבדיקה. המודל הנקודתי להצללה שולב באופן חלקי בתוכנת הדמיה אקלימית Ecotect, ובאופן מלא כמודל חיצוני (Plug-In).

קישור לכתבה בעברית (2006) : המודל הנקודתי להצללה אופטימאלית, מאמר בעברית

Abstract

[reduced width] The cellular method is an innovative approach to design an optimal shading. The method offers calculating an optimal shading form, accounting for both needs of summer solar protection and winter solar gain. As a result, it provides better thermal comfort and maximum annual energy conservation in cooling and heating. The method can generate Mapping of Shading Importance for any location in the world, any opening configurations, and any preferred period (such as year, season, month, etc.). The mapping indicates, for these particular settings, the optimal form of shading-means (such as shading device, overhang, etc.). Since architectural and environmental settings are varied, the calculated optimal shading forms usually have unique forms, often complex and intriguing. Such forms are not only enriching the building façade, but also correspond best to the specific environmental conditions.

The method was developed by architect Dr. Eran Kaftan, in the framework of a M.Arch thesis at the University of Arizona (2001). It was presented at several international conferences and at leading international architectural and engineering offices, such as Frank Gehry & Associates; ARUP; and Foster and Partners. In addition, it was integrated in several simulation programs, Autodesk Ecotect and SHADERADE of Harvard University.[/reduced width]

Optimal Shading

[reduced width] The design of shading-means which provides optimal shading (establishing maximum reduction in the building energy consumption) is rather complex, requiring solving the fundamental “Shading Dilemma”. On the one hand, shading intercepts summer direct solar radiation, thus, reducing the cooling loads during the summer (positive effect); however, on the other hand, shading also reduces desirable winter solar gain and daylight, thus, increasing the heating and artificial lighting loads (negative effect). Therefore, an optimal form of a shading device or overhang should provide an optimal balance among the necessity for solar obstruction, solar gain, and daylight. Since solar radiation varies according to different sun angles, and the sun appears in the sky in curved pathways, even a rectangular window will not have a simple optimal shading form. In addition, since windows or walls are varied in configurations, orientations, and locations around the world, it is natural, that each one requires a unique shading form. An optimal shading form can help in optimizing annual building energy conservation, reducing the cost in operating mechanical systems of cooling and heating; thus supporting the world energy conservation and sustainability. [/reduced width]

The Cellular Method

[reduced width] The Cellular Method for Optimal Shading evaluates numerous theoretical-cells of proposed shading-means (such as shading device, overhang, etc.) for their degree of importance to provide shade or solar penetration. Then, this information can be utilized to modify the proposed shading-means. The method can also be used to determine new shading-means, by evaluating numerous theoretical-cells of space adjacent to a proposed shaded space (such as window, courtyard, etc.). Calculations of the optimal shading form takes into consideration the window configuration, orientation, and geographical location, as well as hourly solar radiation and hourly thermal comfort conditions at the space needed to be shaded. This process can be applied to a particular preferred period, in order to design fixed or seasonal shading-means (such as shading devices, overhangs, shading membranes, etc). In addition, it can be applied to a sequence of short time-segments, in order to design dynamic shading systems.[/reduced width]

 

Applications

[reduced width] The Cellular Method for Optimal Shading was implemented in several state-of-the-art simulation programs. [/reduced width]

---

Relevant Publications

Kaftan, Eran. (2001). The Cellular Method to Design Energy Efficient Shading Form to Accommodate the Dynamic Characteristics of Climate. Master Thesis (Architecture). The University of Arizona. 183p.

Kaftan, E. (2001). The Cellular Method to Design Energy Efficient Shading Form to Accommodate the Dynamic Characteristics of Climate. Conference proceedings. PLEA 2001 – The 18th Conference on Passive and Low Energy Architecture. Florianopolis, Brazil. Volume 2. pp 829-833.

Kaftan, E. (2002). Cellular Method for Optimal Solar Shading. US Patent Application. 46p.

Kaftan E. & Marsh A. (2005). Integrating the Cellular Method for Shading Design with a Thermal Simulation. The International Conference on Passive and Low Energy Cooling for the Build Environment (PALENC 2005), Santorini, Greece.

המודל הנקודתי להצללה אופטימאלית, מאמר בעברית, 2006

קפטן, ערן ובן אהרון, רחל.  2005. פסיבי לא בהכרח אדיש — מודל נקודתי להצללה אופטימאלית. אדריכלות ישראלית מס’ 62, עמ’ 51-55.

אביטל מאור, 2008. פתרונות הצללה: 30 מעלות בצל. מגזין בית ונוי 100, עמ’ 181.

Sargent, Jon, Niemasz Jeffrey, & ReinhartChristophF. (2011). SHADERADE: combining rhinoceros and energyplus for the design of static exterior shading devices. Building Simulation 2011. Sydney, Australia.

פרס ראשון, קטגוריית עיצוב מוצר, הכנס הבינ”ל הרבעי לבנייה ירוקה (בניהול בית ונוי), “הצללה אקו-אקלימית”, 2013.

ערן קפטן, 2015. הצללה אורבנית: חוויה אקלימית וחזותית. צל ערים – מצילים את המרחב הציבורי
עורך: מרטין וייל.

 

---

תבנית זרימה טבעית

מחקר תואר ראשון של ערן קפטן
אוניברסיטת אריזונה, מחלקת אדריכלות, 2000

 

המחקר עסק בפיתוח תיאוריה ייחודית של לימוד מעקרונות זרימה טבעית לסידור טוב יותר של תנועת אנשים בפרויקטים אדריכלים.

 

Abstract

[reduced width]

Observation of the natural flow pattern that water creates in the natural landscape can aid the organization of the pedestrian environment by applying its principles to improve the flow of pedestrian circulation.  We can find some resemblance between pedestrian circulation and fluid movement (1) because they are driven by the same kinetic force.  People, like water, move in a flowing motion. Once they accelerate, they are directed by momentum. Consequently, every bend is smoothly curved, creating equilibrium between the rectilinear momentum force and the individual’s desire to turn. This creates an optimal flow pattern whose paths require the least effort (1). We can find evidence of these paths if we carefully examine the way people move around street corners.  Instead of a square turn, as we would expect, we would detect that their course follows a sharp curve.  Many of the natural flow characteristics can be utilized architecturally in different scales, from the curved line and the meandering shape to a larger scale where we can find similarities between the watershed basin and a city with its neighborhood.

 

[/reduced width]

 

 

 

 

Selected Features

Relevant Publications

[reduced width]

Presented at: Expo on Line: THE CITY: THIRD MILLENNIUM, International Competition of Ideas Architecture Biennale, 2000, Venice. International Architecture Exhibition, The City: Less Aesthetics, More Ethics.

[/reduced width]

 

Examples for Architectural Implementation

 

---