Bina tasarımı aşamasında hacim içindeki doğal ışık dağılımını belirlemek için bir model

Abstract

Gündüz kullanılan hacimlerde, doğal ışığın, yapay aydınlatma enerjisinden artırım sağlamak amacıyla kullanılabilmesi için, tasarım aşamasında hacim içindeki doğal ışık dağılımının bilinmesi gerekir. Bu konuda kullanılan alışılmış yöntemler uzun ve uğraştırıcı yöntemlerdir. Bu çalışmada, aydınlatma tasarımcısına, aydınlatma tasarımı yaptığı hacimin içindeki doğal ışık dağılımını kolay ve çok kısa sürede sayısal değerleri ile birlikte elde edebileceği bir araç hazırlanmıştır. Bu araç, bina planından okunabilecek verileri kullanarak kademeli olarak çalıştırılabilecek iki bilgisayar programından oluşmaktadır. Birinci bölümde, gözün yapısı ve görme duyumunun nasıl oluştuğu, ışık miktarının görsel konfor, görme yeteneği ve insan fizyolojisi üzerine etkileri anlatılmıştır. Bütün bu faktörler göz önünde bulundurulduğunda ortaya çıkan sonuç, gerekli ışık miktarının yüksek olduğudur. Gündüz kullanılan hacimlerde bu yüksek aydınlık düzeylerini sağlayabilmek için alternatif bir ışık kaynağı olarak doğal ışığı kullanabileceğimizden, ikinci bölümde doğal ışık kaynakları ve mühendislik uygulamalarında kullanılan gök modellerinden bahsedilmiş, doğal ışık hesap yöntemleri açıklanmıştır. Üçüncü bölümde hacim içerisinde doğal ışıktan kaynaklanan aydınlık düzeylerini bulabilmek için en çok kullanılan yöntem olan günışığı faktörü anlatılmış, ve bu çalışmada önerilen yeni bir faktör, E/LZ faktörü tanıtılmıştır. Herhangi bir hacimde, bina planından okunabilecek verileri kullanarak ve E/LZ faktöründen yararlanarak, her hacim için zamana göre sabit olan E/LZ faktörleri haritalarını, hem sayısal değerleri ile hem grafik olarak çıkaran bir bilgisayar programı, ve ayrıca bu programın çıktılarını kullanarak söz konusu hacim içinde herhangi bir anda var olan doğal ışıktan kaynaklanan aydınlık düzeylerini ve doğal ışığı tamamlayıcı yapay aydınlatmanın sağlaması gereken aydınlık düzeylerini sayısal değerleri ile bulan ikinci bir bilgisayar programı tanıtılmıştır. Bunlara ek olarak, bu bölümde daha önce örnek olarak alınmış bir hacimde, senenin en kötü ışık koşullarına sahip günü olan 21 Aralık gününe göre hazırlanmış, doğal ışığı tamamlayıcı yapay aydınlatma sistemi için bir tasarım örneği verilmiştir. Bu örnek üzerinde, alışılmış yöntemlerle yapılan aydınlatma tasarımı ile, bu çalışmada ortaya konmuş olan bilgisayar programları yardımıyla elde edilen tamamlayıcı yapay aydınlatma tasarımı, sistemlerin harcadıkları enerji açısından karşılaştırılmalardır.

Um in den Raeumen, die auch am Tage verwendet werden, eine Energieeinsparung bei der Kunstlichtbeleuchtung unter der Verwendung vom Tageslicht zu erreichen, sollte man die Verteilung des Tageslichtes im Raume schon zu der Zeit der Planung wissen. Da die herkömmlichen Methoden in dieser Richtung ziemlich langwierig sind, machen die Beleuchtungsplanern in unserem Lande oft ihre Entviirfe entweder unter der Voraussetzung der völligen Dunkelheit oder sie beachten das Tageslicht nur nach Augenmass. In dieser Arbeit hat man ein Mittel fiir die Beleuchtungsplanern entwickelt, mit dem sie die Verteilung des Tageslichtes in irgendeinem Raume leicht und schnell und mit Zahlenwerten erlangen können. Dieses Mittel besteht aus zwei Computerprogrammen, die unter Verwendung von Daten, die aus dem Plan gelesen werden können, stufenweise eingesetzt werden. Wenn man den Aufbau des Auges und den Vorgang des Sehens naeher betrachtet, und die Wirkungen des Lichtes auf die Physiologie der Menschen im Auge behaelt, erkennt man, dass je mehr Licht vorhanden ist, desto besser das Sehen und die Funktionierung des Metabolismus ist. Obwohl bei den Wirkungen des Lichtes auf die Physiologie der Menschen mehr Licht immer positivere Ergebnisse erzielt, sieht es bei dem Sehvorgang anders aus. Venn man die Beleuchtungsstaerken in der Umgebung des Menschen staendig steigen laesst, nehmen die Werte der Sehleistungparametern, die Sehschaerfe, die Unterschiedsempfindlichkeit und die Wahrnehmungsgeschwindigkeit, in der positiven Richtung bis zu einem bestimmten Wert rapid zu, dann bleiben diese Werte in einem Bereich, wo die Sehleistung optimal ist, ziemlich konstant, dann aber beginnen sie zu fallen. Diese Verminderung der Sehleistung durch mehr Licht ist bedingt durch die Blendung. Das Leuchtdichteintervall, in dem die Sehleistung optimal ist, liegt ungefaehr zwischen 100 cd/m2 und 5000 cd/m2. Wenn man annimmt, dass die Sehobjekte in dem Raum ideal diffus reflektierend sind, das heisst, dass sie sich nach dem Gesetz von Lambert verhalten und ihre Reflexionsf aktören im Durchschnitt um % 50 liegen, ist das Beleuchtungsstaerkeintervall, in dem die Sehleistung optimal ist, ungefaehr zwischen 500 lx und 30000 lx. vi Man sieht, dass diese Beleuchtungsstaerkewerte ziemlich hoch sind. Um diese Beleuchtungsstaerken erreichen zu können, vürde man viel elektrische Energie verbrauchen. Man kann aber in den Raeumen, wo auch unter dem Tag gearbeitet wird, das Tageslicht als eine alternative Lichtquelle gebrauchen. Das Tageslicht besteht aus zwei Hauptteilen. Sie sind -das Licht, das direkt von der Sonne kommt, und -das Himmelslicht, das durch Brechungen und Reflexionen des Sonnenlichtes in der Athmosphaere entsteht. Um das Himmelslicht in den Berechnungen verwenden zu können, muss man die Leuchtdichteverteilung des Himmels kennen. Weil diese Leuchtdichteverteilung von vielen verschiedenen Parametern abhaengig ist, hat man nach den Ergebnissen vieler Versuche bestimmte Formeln als Standards der Himmelsleuchtdichteverteilung festgesetzt. In der Praxis vervendet man drei Himmelmodelle als Standarts. Sie sind -der uniforme Himmelmodell -der bedeckte Himmelmodell -der klare Himmelmodell. Das direkte Sonnenlicht, obwohl es in den Raeumen, falls es vorhanden ist, oft grössere Beleuchtungsstaerken als das Himmelslicht erzeugt, wird es in dieser Arbeit ausser Acht gelassen, veil als Himmelmodell der bedeckte Himmelmodell gewaehlt ist, in dem der Himmel als ganz mit Wolken bedeckt betrachtet vird. Hm das Tageslicht mit der Kunstlichtbeleuchtung zu integrieren, und dabei eine Energieeinsparung zu erzielen, sollte man die Verteilung des Tageslichtes im Raum im Voraus kennen. Veil die herkömmlichen Methoden, die in unserem Lande in dieser Richtung vervendet verden, ziemlich langvierig sind, beachten die Beleuchtungsplanern in ihren Entvürfen das Tageslicht oft nicht. Das Ziel dieser Arbeit ist den Beleuchtungsplanern ein Mi t tel zu schaffen, mit dem sie leicht und ohne viel Zeit zu verlieren, die Verteilung des Tageslichtes im Raume im Voraus berechnen können. In dieser Arbeit ist als Alternative zum Tageslichtquotient ein anderer Faktör, genannt E/LZ Quotient, definiert worden. E/LZ = % 100. Ej^ Hier bedeuten, E^ : die Innenbeleuchtungsstaerke in einem Punkt auf irgendeiner Messebene, und Lz : die Zenit Leuchtdichte. E/LZ Quotient ist eine Variante von dem Tageslichtquotient. Man kann zu jeder Zeit von einem zu dem Anderen iiberspringen. Genau vie der Tageslichtquotient gibt der E/LZ Quotient charakteristische Werte fiir jeden Raum, die unabhaengig von der Zeit sind. vii Der E/LZ Quotient besteht vie der Tageslichtquotient aus drei Komponenten. Um das Überspringen von Einem zu dem Anderen zu vereinfachen, hat man die Namen der Komponenten des E/LZ Quotienten nach den Namen der Komponenten des Tageslichtquotienten gewaehlt. Sie sind -der Himmelslichtanteil des E/LZ Quotienten -der Innenreflexionsanteil des E/LZ Quotienten -der Aussenreflexionsanteil des E/LZ Quotienten Man hat diesen Quotienten eingeführt, veil es besonders in zwei Punkten dem Tageslichtquotienten überlegen erscheint. Erstens schafft es bei den mathematischen Formulierungen eine Erleichterung. Da die Leuchtdichteformeln für die verschiedenen Himmelmodellen fast überall als relative Leuchtdichten gegeben verden (z.b. für das bedeckte Himmelmodell,als L/Lz=f(0)), kann man, wenn man den E/LZ Quotienten benutzt, die rechte Seite der Leuchtdichteformel, bei der Berechnung der Beleuchtungsstaerke, direkt in den Platz von der Leuchtdichte einsetzen. Man braucht keine Umformulierungen zu machen. Venn man die Rechnungen mit dem Tageslichtquotienten macht, soil man entveder die Aussenbeleuchtugsstaerke, zu gleicher Zeit vie Ej gemessen, auf horizon taler Ebene im Freien bei freiem Horizont messen öder die Zenit Leuchtdichte messen und mit deren Hilfe die oben genannte Aussenbeleuchtungsstaerke berechnen. Weil es heutzutage in den Staedten vegen den immer mehr vachsenden Gebaeudehöhen freien Horizont zu finden nicht mehr so leicht ist, vird man die Zenit Leuchtdichte messen müssen. Venn man den E/LZ Quotienten benutzt, kann man den Messvert von der Zenit Leuchtdichte direkt anvenden, dagegen, wenn der Tageslichtquotient benutzt wird, soil man noch die Aussenbeleuchtungsstaerke von der gemessenen Zenit Leuchtdichte errechnen. In dieser Arbeit sind zvei Computerprogramme erstellt vorden, die dem oben genannten Zveck, die Tageslichtverteilung im Raum im Voraus zu bestimmen, d i enen. Als Himmelmodell hat man den bedeckten Himmelmodell gevaehlt, veil er die schlechtesten Bedingungen für die Planungsparametern enthaelt. Man kann diese Programme für die Bestimmung von der Tageslichtverteilung in einem quaderformigen Raum mit rechteckigen vertikalen Fenstern nur auf einer Wand einsetzen. Man kann die Programme auch für Raeume mit Fenstern auf mehr als nur einer Wand gebrauchen, venn man auf den Innenreflexionsanteil verzichtet, indem man sehr geringfügige Aenderungen im Programm vornimmt, das erste Programın für jede Fenstervand einmal laufen laesst, und die Ausgaben jedes einzelnen Laufes auf den Plan des Raumes richtig appliziert. Das erste Programm gibt die E/LZ Quotientenverteilung, die durch das Himmelslicht und das Licht, das von den aeusseren Hindernissen reflektiert vird und in den Raum kommt, bedingt vird, auf alien Ebenen, auf die das direkte Himmelslicht faellt, des viii Raumes und die E/LZ Quotienten Verteilung,die durch das gesamte Licht, das heisst, das Hiramelslicht, das draussen reflektierte Licht und das in dem Raum reflektierte Licht, bedingt wird, auf einer Horizontalebene von beliebiger Höhe, und braucht als Eingabe nur Verte, die man aus dem Plan des Gebaeudes entnehmen kann. Die E/LZ Quotientverteilung im Raum kann man von dem Programm als Zahlenwerte und/oder als graphische Darstellung erfordern. Dieses Programm besteht aus zwei Hauptteilen. In dem ersten Teil werden die E/LZ Quotientenwerte, die durch das direkte Himmelslicht und durch das Licht, das von den aeusseren Hindernissen reflektiert und in den Raum kommt, bedingt werden, errechnet. In dem zwei ten Teil wird das innenreflektierte Licht berechnet. Hier werden die Reflexionen nur bis zum zweiten Reflexion im Raum in die Rechnung mitbezogen. Bei der Bestimmung des draussen reflektierten Lichtes wird angenommen, dass die Hindernisse parallel zu dem Gebaeude, für das die Planung gemacht wird, liegen. Die Verte des Himmelslichtanteils des E/LZ Quotienten werden für jeden Punkt nach analytisch gefundenen Formeln gerechnet. Also bis dahin tritt bei der Berecnung des E/LZ Quotienten kein Fehler ausser dem Fehler, den das Himmelmodell in sich traegt, auf. Ab disen Punkt wird mit numerischen Methoden gerechnet und, die Fehler der numerischen Methoden und die Fehler der Annahmen, die bei der Aussenreflexionsanteil gemacht werden, treten auf. Aber, weil in den Raeumen, deren Aussicht aus den Fenstern nicht ganz mit den Hindernissen geschlossen ist, die Tageslichtverteilung hauptsaechlich von dem Himmelslichtanteil beeinflusst wird, kann man diese Fehler ausser Acht lassen. Als numerische Methode hat man in dieser Arbeit die Simpson Integralmethode angevendet. Der Grund diser Wahl ist die Aehnlichkeit der Kurven der Funktionen, die integriert werden sollen, mit den Funktionen des zweiten Grades. Das zweite Programm braucht als Eingabe die Ausgaben von dem ersten Programm und ausserdem die Zeit, geographische Daten über den Ort des Gebaeudes und die in dem Raum, wofiir die Planung gemacht wird, gewunschten Mindestbeleuchtungsstaerke. Es gibt als Ausgabe die Beleuchtungsstaerken, die vom Tageslicht erzeugt sind, im Raum zu einem bestimmten Zeitpunkt, und die Beleuchtungsstaerken, die vom Kunstlicht erzeugt werden sollen, um den Tageslicht in disem Raum bis zu der gewunschten Mindestbeleuchtungsstaerke zu ergaenzen. Beide Programme sind interaktive Programme und sind leicht zu bedienen. Die vorliegende Arbeit ist mit einem Beispiel für ein das das Tageslicht ergaenzende Kunstlichtbeleuchtungsystem, das man nach den Ausgaben dieser beiden Programme entworfen hat, abgeschlossen worden. Eine grobe Vergleichung zwischen den elektrischen Energien, die dieses System und ein anderes ix Beleuchtungssystem, bei dessen Planung das Tageslicht nicht beachtet wurde, verbrauchen, zeigt sofort die Vorteile der Planung mit dem Tageslicht. Beide Systeme sind im gleichen Stil gehalten worden, um einen Vergleich möglich zu machen. Die Leuchten und die Lampen, die angewendet sind, und die Gleichmaessigkeit der Lichtverteilung im Raum, sind gleich. Ein Anwendungsgebiet für diese beide Programme waere die Verbesserung der Beleuchtungssysteme der vorhandenen Gebaeuden. In diesen Gebaeuden kann man zwar die Tageslichtverteilung auch bestimmen, indem man Messungen in den einzelnen Raeumen vornimmt. Aber, veil die Tageslichtverteilung im Raum vaehrend des Jahres sich dauernd aendert, sollte man in laengeren Perioden Messungen machen, um richtige Werte zu bekommen. Die Laenge der Messzeit wirkt dagegen auf die Planungszeit und -kösten negativ aus. Ein anderes Gebiet, in dem die Ausgaben dieser Computerprogramme nutzbar gemacht werden können, ist der Entwurf von automatischen Lichtkontrollsysteme. Die Kontrolle des Kunstlichtes gemaess dem Tageslicht kann nach einem im Voraus vorbereiteten Schema abhaengig von der Zeit ğemacht werden. Da es möglich ist die Tageslichtverteilung im Raum für einen bestimmten Zeitpunkt im Voraus zu bestimmen, ist es auch möglich die das Tageslicht ergaenzende Kunstlichtverteilung zu ermitteln. Und das ergibt das Schema, das für die automatische Lichtkontrolle angevendet vird. Ein anderes Kontrollsystem waere die Benutzung eines Kontrollelements, das die Daten, die von einem auf das Dach des Gebaeudes gestelltes Photoelement, das die Zenit Leuchtdichte misst, mit den Ausgaben des ersten Programmes, das die in jedem Raum von der Zeit unabhaengige E/LZ Verteilung berechnet, zusammen ausvertet und nach dieser Bewertung die Kunstlichtquellen im Gebaeude kontrolliert. Der einzige Unterschied zwischen diesen beiden Kontrollsysteme liegt darin, dass bei dem Ersten die Zenit Leuchtdichten von den ampirisch gefundenen Zenit Leuchtdichteformeln entnommen werden und das Lichtkontrollschema im Voraus bestimmt wird, dagegen bei dem Zweiten die Zenit Leuchtdichten gemessen werden und das Lichtkontrollschema danach gerichtet wird. Keine von den Himmelmodellen, die zur Zeit für Planungen angewendet werden, geben die realen Bedingungen für die Leuchtdichteverteilung des Himmels. Man hat zwar bis heute über den realen Himmelmodell viel gearbeitet, aber einen internationalen Standart für den realen Himmelmodell hat man noch nicht akzeptiert. Venn das geschieht, wird man die Programme, die man in dieser Arbeit entwickelt hat, zugunsten des realen Himmelmodells adaptieren müssen.