מחקר – תכנון הצללה אופטימאלית
מסגרת: תזת תואר שני של ערן קפטן, אוניברסית אריזונה, המחלקה לאדריכלות.
בהנחיית: נדר חלפון, יוגליק מרטין, פרד מטר, מדלין לארי, והריס סובין.
שנים: 2000-2001
כיצד ניתן לתכנן מערכת הצללה-קבועה אופטימאלית:
שתספק מצד אחד כמה שיותר הצללה בעונה החמה ומצד שני כמה שיותר חשיפה לקרינת שמש בעונה הקרה?
רקע כללי
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.
לפירוט נוסף – לחץ לפתיחה
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.
פיתוח מודל חישוב ותכנון חדשני להצללה אופטימאלית
המודל החישוב הנקודתי להצללה (The Cellular Method) 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.
לפירוט נוסף – להלן קישור למאמר בעברית – המודל הנקודתי להצללה אופטימאלית
המחשת שיטת החישוב
ישומים
אפליקצית אקסל OPTIMAL-SHADING (2001)
כלי האקסל OPTIMAL-SHADING משתמש בשיטה הנקודתית להצללה אופטימלית, באמצעות כ-800,000 חישובים, כדי לקבוע את הצורה האופטימלית של אמצעי הצללה. הכלי מוגבל לצורות פשוטות של חלונות, ומצריך שילוב תוצאות מסימולציה תרמית.
Ecotect's Cellular Method Plugin (2005)
שיתוף פעולה בין ד"ר ערן קפטן לבין מפתח תוכנת Ecotect, הניב תוסף חיצוני לתוכנת Ecotect. התוסף משתמש בשיטה הנקודתית להצללה אופטימלית כדי לקבוע, עבור מיקומים חיצוניים, את מידת החשיבות של מתן צל או חדירת שמש במהלך תקופה מסוימת.
Autodesk Ecotect (2008)
תוצאה נוספת של שיתוף הפעולה עם מפתח Ecotect היא שחלקים מרכזיים משיטת בשיטה הנקודתית להצללה אופטימלית ניתנים לשימוש ישיר בתוך תוכנת Autodesk Ecotect. הכלי ניתן להפעלה באמצעות אפשרות חישוב "פוטנציאל הצללה". הכלי מחשב את הצטברות נתוני הקרינה הרלוונטיים על גבי רשת ניתוח עבור תקופה נבחרת, אך בניגוד לתוסף, הוא אינו מביא בחשבון הן את הצורך בצל בקיץ והן את הצורך בחדירת שמש בחורף. מידע נוסף ניתן למצוא בקובצי העזרה של Ecotect.
SHADERADE (Harvard University 2011)
הכלי פותח באוניברסיטת הרווארד, על בסיס השיטה הנקודתית להצללה אופטימלית (ערן קפטן) כדי לייצר הצללה אופטימלית באמצעות תוכנות Rhinoceros® ו-EnergyPlus .
הצללה אקלימית לסביבה חיצונית (2013)
השיטה הנקודתית להצללה עודכנה, כך שתאפשר גם חישוב הצללה אופטימלית עבור שטחי חוץ, באמצעות מיפוי הצללה אופטימלית. המיפוי מאפשר את זיהוי צורת הסוכך האופטימלית במרחב מעל אזורי הפעילות.
לפירוט נוסף – לחץ לפתיחה
סוככי הצללה רבים הממוקמים בסביבה החיצונית, כגון בגני משחקים ותחנות הסעה, כושלים בהצללת אזורי הפעילות. זאת משום שהסוככים תוכננו באופן אינטואיטיבי מעל, ללא התייחסות למיקום השמש המשתנה לאורך היום וחודשי השנה. בנוסף, לעיתים קרובות סוככים אלו מצלים על אזורי הפעילות גם בעונת החורף, ובכך מונעים את חשיפתם לקרינת השמש הנדרשת להשגת נוחות אקלימית בעונה הקרה.
באמצעות הדמיות צל המשולבות בתוכנות תלת מימד ניתן לתכנן סוכך אשר יספק הצללה אופטימלית. אולם, תהליך זה דורש בדיקת חלופות רבות וכן אינטואיציה בבחירת צורת הסוכך.
השיטה הנקודתית להצללה אשר פותחה ע"י ערן קפטן לצורך חישוב הצללת חלונות, עודכנה, כך שתאפשר גם חישוב הצללה אופטימלית עבור שטחי חוץ, באמצעות מיפוי הצללה אופטימלית. המיפוי מאפשר את זיהוי צורת הסוכך האופטימלית במרחב מעל אזורי הפעילות. ההצללה האופטימלית מחושבת להשגת מקסימום הצללה בעונה החמה באמצעות סוכך בעל שטח מינימאלי, וכן השגת מקסימום חשיפה לקרינת שמש בעונה הקרה. הצללה זו מאפשרת חיסכון בחומרי בניה, וכן נוחות אקלימית הן בקיץ והן בחורף, ללא צורך בפירוק עונתי של סוכך ההצללה.
לפירוט נוסף – להלן קישור ל- פוסטר המחשה.
כתבות ופרסומים
לרשימת פרסומים – לחץ לפתיחה
- 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.
- Sargent, Jon, Niemasz Jeffrey, & ReinhartChristophF. (2011). SHADERADE: combining rhinoceros and energyplus for the design of static exterior shading devices. Building Simulation 2011. Sydney, Australia.
- 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.
- ערן קפטן, 2015. הצללה אורבנית: חוויה אקלימית וחזותית. צל ערים – מצילים את המרחב הציבורי עורך: מרטין וייל.
- פרס ראשון, קטגוריית עיצוב מוצר, הכנס הבינ"ל הרבעי לבנייה ירוקה (בניהול בית ונוי), "הצללה אקו-אקלימית", 2013.