Nový systém slunečního stínění založený na skleněných slunečních lamelách

Článok opisuje vývoj nového systému slnečného tienenia, pozostávajúceho zo sklených lamiel s reflexnou vrstvou, ktorý slúži na reguláciu slnečného žiarenia. Reflexná vrstva umožňuje účinne redukovať slnečné zisky cez fasádu budovy a zároveň presmerovať časť slnečného žiarenia do zadnej časti miestnosti, kde je najviac potrebné. Tieniaci systém sa simuloval pomocou modelu IESve/Radiance na podmienky bunkovej kancelárie. Úplný model tieniaceho systému sa testoval aj v laboratóriu denného osvetlenia v Statens Byggeforskningsinstitut v Dánsku (SBi; SBi Daylight Laboratory).

Pri budovách s veľkými zasklenými plochami fasády treba využívať účinné systémy slnečného tienenia na zníženie spotreby energie na vetranie a chladenie. Súčasne treba optimalizovať využívanie denného svetla na splnenie požiadavky činiteľa dennej osvetlenosti pracovnej plochy vo výške 2 % a na redukciu potreby energie na umelé osvetlenie.

Úroveň denného osvetlenia v blízkosti okien je v porovnaní s úrovňou v zadnej časti miestností v budovách s veľkými hĺbkami miestností veľmi vysoká. Tieniace systémy v administratívnych budovách so zasklenými fasádami pozostávajú často z lamiel vyrobených z nepriehľadných materiálov a stabilne upevnených v horizontálnej polohe. Takéto tieniace systémy účinne znižujú slnečné zisky miestností, zároveň však kazia výhľad z okna a znižujú úroveň denného osvetlenia miestností. Z toho vyplýva potreba vyvinúť účinný tieniaci systém, ktorý by ochránil priestor v blízkosti okien pred priamym slnečným žiarením a ktorý by súčasne presmeroval denné svetlo do zadnej časti miestností. Takýto systém by mal tiež umožňovať výhľad z okna.

Nový systém slnečného tienenia má nastaviteľné sklené lamely pokryté na jednej strane vysoko reflexnou vrstvou. Systém sa používa ako bežný tieniaci systém, ktorý znižuje slnečné zisky, a tým požiadavky na chladenie, v porovnaní s tradičnými tieniacimi systémami však umožňuje dosiahnuť aj vyššie úrovne denného osvetlenia naprieč celou miestnosťou - to všetko vďaka transparentnému sklu. Pri správnom sklone lamely umožňuje určité zvýšenie úrovne denného osvetlenia aj v podmienkach zamračenej oblohy, a to presmerovaním denného svetla z okolitej oblohy na strop a potom ďalej do miestnosti.

Tieniaci systém

Nový systém slnečného tienenia bol vyvinutý a testovaný v mierke 1 : 1 v laboratóriu denného osvetlenia na SBi. Navrhnutý systém zohľadňuje snahu znížiť spotrebu energie na chladenie a vetranie, a tak umožniť aj lepšiu distribúciu denného svetla v budovách.

Obr. 1 Pohľad zvrchu na systém slnečného tienenia

Tieniaci systém má horizontálne upevnené sklené lamely s vysoko reflexnou vrstvou na jednej strane. Lamely sú široké 50 cm, medzera medzi nimi je takisto 50 cm. Systém pozostáva z hliníkového stojana s podpornými roštmi na sklené lamely. Lamely sa môžu otáčať v oboch smeroch podľa aktuálneho počasia. Pri slnečnom počasí sú natočené do vertikálnej polohy, reflexnou vrstvou smerom k slnku. V tomto prípade sa systém správa ako ďalšia vrstva zasklenia regulujúca priepustnosť slnečného žiarenia, ktorá znižuje slnečné zisky a súčasne umožňuje dobrý výhľad von (obr. 1 a 2).

Obr. 2 Vertikálny priečny rez systémom slnečného tienenia

Základné rozmery sú na obr. 1 a 2. Sklené lamely sú umiestnené vo vzdialenosti len 30 cm od fasády laboratória. V skutočných podmienkach by boli rošty s lamelami umiestnené 50 až 70 cm od fasády, aby sa zabezpečil dostatočný priestor na údržbu a čistenie okien. Pre lamely sa používa sklo Scanglas, typ Antelio Silver. Ide o sklo určené na slnečné tienenie s reflexnou vrstvou na jednej strane. Informácie o sklených lamelách sú uvedené v tab. 1, princíp presmerovania denného svetla je znázornený na obr. 3.

Obr. 3 Princíp presmerovania denného svetla

Obr. 4 Systém sklených lamiel pred testovacou miestnosťou (vľavo), referenčná miestnosť (vpravo)

Z modelovania tieniaceho systému s použitím modelu IESve/Radiance [1] na simulácie denného osvetlenia pre podmienky zamračenej oblohy vyplýva, že účinnosť presmerovania denného svetla je maximálna pri uhle 30°. Reflexná vrstva by pritom mala byť obrátená smerom k oblohe. Pri tomto uhle sa denné svetlo najúčinnejšie odráža na strop a odtiaľ do miestnosti, kde je potrebné [3] (obr. 3).

Hrúbka (mm)	Priepustnosť slnečnej energie	Priepustnosť svetla	Odrazivosť slnečnej energie	Odrazivosť svetla
8	0,63	0,65	0,25	0,31

Tab. 1 Vlastnosti sklených lamiel

Merania

Testovacie zariadenia

Merania denného osvetlenia sa uskutočnili na systéme sklených lamiel v laboratóriu denného osvetlenia na SBi. Laboratórium sa nachádza v dánskom meste H?rsholm (55,86° severnej šírky a 12,49° východnej dĺžky). Laboratórium má dve susediace experimentálne miestnosti. Úroveň ich podlahy je 13 m nad terénom a fasáda je pootočená 7,5° východným smerom od juhu. Miestnosti majú zhodné rozmery: 3,5 × 6,0 × 3,0 m. Testovacia miestnosť má namontovaný tieniaci systém. Referenčná miestnosť je bez tieniaceho systému. Pred laboratóriom je takmer voľný obzor, v diaľke sa nachádza rad stromov a niekoľko ďalších stromov je juhozápadným smerom od laboratória.

Obr. 5 Meracie body v testovacej/referenčnej miestnosti
(vyznačené červenými bodkami)

Fasáda oboch miestností je rozdelená na deväť sekcií. Niektoré sekcie boli počas experimentov zakryté (obr. 4), len prostredné a horné sekcie boli otvorené slnečnému svetlu. Ako vidieť na obr. 1 a 4, sklené lamely sú dlhšie, než je šírka sklenej tabule. Presah na každej strane okna je 0,58 m, čím sa zabezpečuje pokrytie celej plochy okna sklenými lamelami. Okná sú vyrobené z nízkoemisného dvojitého skla s argónovou výplňou (prechod tepla U = 1,1 W/(m² . K), koeficient priepustnosti celkovej energie g = 0,56, činiteľ prestupu svetla LT = 0,72). V oboch experimentálnych miestnostiach sú dva stoly umiestnené rovnako ako v bežnej bunkovej kancelárii. Odrazivosť vnútorných povrchov sa uvádza v tab. 2.

Obr. 6 Klimatické podmienky a pozície sklených lamiel pri štyroch meraných prípadoch

Luxmetre sú nainštalované v pozdĺžnej centrálnej osi oboch miestností vo výške 0,85 m nad podlahou (výška pracovnej plochy) a tiež na strope (obr. 5). Horizontálna a vertikálna zložka intenzity osvetlenia sa merala na streche laboratória prístrojom Hagner (typ MCA-1600 Multi-Channel Amplifier so senzormi na meranie osvetlenosti typu SD1). Merania denného osvetlenia sa vykonávali pre štyri rôzne prípady. Prípady 1 a 2 zodpovedajú podmienkam pri zamračenej oblohe a prípady 3 a 4 podmienkam pri slnečnej oblohe. V každom prípade sa sklené lamely nastavili do rozličných pozícií podľa obr. 6.

Povrch	Odrazivosť (%)
steny	62
stropy	88
podlahy	11
stoly	80

Tab. 2 Odrazivosť vnútorných povrchov experimentálnych miestností

Výsledky meraní denného osvetlenia

V prípadoch 1 a 2 sa posudzoval činiteľ dennej osvetlenosti, ktorý sa definuje ako podiel medzi intenzitou osvetlenia v bode v miestnosti a horizontálnou intenzitou osvetlenia v exteriéri, meranou proti voľnému horizontu; platí, že D = E_vnútorná/E_vonkajšia, pričom E je osvetlenosť v luxoch. Posúdenie D sa vykonalo výlučne pri zatiahnutej oblohe. Pri slnečnom počasí (prípady 3 a 4) sa merania intenzity osvetlenia hodnotili na základe priemerov päťminútových intervalov.

Prípad 1 - zamračená obloha

Výsledky meraní sú znázornené na obr. 7. Na pracovnej ploche vo výške 0,85 m nad podlahou vidieť zníženie činiteľa dennej osvetlenosti v pozdĺžnej osi miestnosti v porovnaní s referenčnou miestnosťou. Zníženie D je najväčšie v blízkosti okien, kde je úroveň osvetlenosti už aj tak dostatočná. V najzadnejšom bode miestnosti - 5,4 m od fasády - je D v oboch miestnostiach rovnaký. Sklon dvoch najvyšších lamiel a horizontálna poloha troch najnižších lamiel spôsobujú malé zníženie celkového množstva denného svetla v miestnosti a zlepšenie distribúcie denného svetla v miestnosti.

Obr. 7 Prípad 1 - nameraný činiteľ dennej osvetlenosti na pracovnej ploche (vľavo) a na strope (vpravo)

Na strope možno vidieť zvýšenie D v pozdĺžnej osi miestnosti v porovnaní s referenčnou miestnosťou. Vzostup D je najvýraznejší v blízkosti okna, čo naznačuje, že sklené lamely zväčša odrážajú denné svetlo na strop blízko okien. Hoci sa D v testovacej miestnosti naprieč stropom znižuje, v najvzdialenejšom bode je v porovnaní s referenčnou miestnosťou vyšší - 0,9 oproti 0,8.

Prípad 2 - zamračená obloha

Rovnako ako v prípade 1 sa v dôsledku sklonu všetkých sklených lamiel znižuje činiteľ dennej osvetlenosti na pracovnej ploche vo výške 0,85 m nad podlahou v pozdĺžnej osi testovacej miestnosti v porovnaní s referenčnou miestnosťou (obr. 8). Zníženie D však nie je také zrejmé - na pracovnej ploche je opäť najvýraznejšie v oblasti pri okne a smerom do zadnej časti miestnosti postupne klesá. V najvzdialenejšom bode miestnosti, 5,4 m od fasády, je však D vyšší v testovacej miestnosti než v referenčnej miestnosti: 1,4 v porovnaní s 1,3. Navyše, sklené lamely presmerujú denné svetlo, čím sa zlepší distribúcia denného svetla po miestnosti.

Obr. 8 Prípad 2 - nameraný činiteľ dennej osvetlenosti na pracovnej ploche (vľavo) a na strope (vpravo)

Na strope je zvýšenie hodnoty D v pozdĺžnej osi meranej miestnosti v porovnaní s referenčnou miestnosťou tiež viditeľné. Zvýšenie D je najvýraznejšie v oblasti pri okne, smerom do zadnej časti miestnosti sa znižuje. D je v najvzdialenejšom bode stropu v testovacej miestnosti v porovnaní s referenčnou miestnosťou opäť o niečo vyšší - 0,9 oproti 0,8.

Prípad 3 - slnečná obloha

V prípade 3 sú všetky lamely vo vertikálnej polohe. Reflexná vrstva je otočená smerom na slnečnú stranu. V tejto polohe sa rohy lamiel vzájomne dotýkajú a správajú sa ako nová zasklená plocha regulujúca prienik slnečného žiarenia do interiéru, umiestnená pred bežnou fasádou. Intenzita osvetlenia sa naprieč testovacou miestnosťou znižuje. V najvzdialenejšom bode je stále nižšia než v referenčnej miestnosti (obr. 9). Pokles intenzity osvetlenia je počas dňa premenlivý. Táto poloha sa bude uplatňovať počas slnečných dní, keď sa vyžaduje slnečné tienenie.

Obr. 9 Prípad 3 - intenzita osvetlenia nameraná na pracovnej ploche na poludnie (vľavo) a popoludní (vpravo)

Prípad 4 - slnečná obloha

V prípade 4 sú dve najvyššie položené lamely natočené do polohy umožňujúcej presmerovanie denného svetla. Tri najnižšie položené lamely sú vo vertikálnej polohe. V tomto prípade sa účinok slnečných lamiel počas dňa mení. Doobeda je intenzita osvetlenia naprieč miestnosťou o niečo nižšia, znížená je však len v blízkosti okna (obr. 10). Smerom ďalej do miestnosti je intenzita osvetlenia v testovacej miestnosti vyššia, než je v referenčnej miestnosti. Príčinou je pozícia dvoch najvyššie položených lamiel, odrážajúcich denné svetlo do miestnosti.

Obr. 10 Prípad 4 - intenzita osvetlenia meraná na pracovnej ploche ráno (vľavo) a poobede (vpravo)

Vizuálna pohoda

Počas testovania sa v testovacej miestnosti vyskytli niektoré nevhodné vizuálne efekty. Bolo zrejmé, že vysoko reflexná vrstva na lamelách môže spôsobovať problémy s oslnením, ako aj zrkadlením či vyblednutím stien. Tieto problémy sa pozorovali nielen v prípade, keď boli lamely nastavené v polohe presmerovania svetla do miestnosti, ale aj vtedy, keď boli vo vertikálnej polohe.

Obr. 11 Boli zaznamenané problémy s oslnením, zrkadlením oblohy, narušeným videním, slnečnými pásmi a slnečnými odrazmi.

Ako vidieť na obr. 11a a 11b, pri zatiahnutej oblohe sa pozorovali problémy s oslnením (prípad 2). Povrch lamiel s vrstvou odráža denné svetlo podľa očakávania hore na strop. Svetlo z oblohy sa však tiež odráža do očí osôb pracujúcich pri stole. Takisto sa zaznamenalo narušenie výhľadu. Problémy s odrazmi a zrkadlením oblohy sa najčastejšie vyskytovali v podmienkach, keď sa malo meniť počasie, napríklad zo zamračenej oblohy na slnečnú. Tesne pred zmenou svetelných podmienok vrhali lamely na steny veľmi silné slnečné pásy (obr. 11c). To by mohlo osoby pracujúce v kancelárii veľmi obťažovať, pretože pásy sa postupom času navyše aj pohybujú. Keď je obloha čiastočne zatiahnutá, pásy sa zjavujú a miznú, čo môže takisto veľmi rušiť. Pri slnečnom počasí (obr. 11d) sú lamely zatvorené a vo vertikálnej polohe. V závislosti od bodu pohľadu sa do očí osoby môže premietať odraz slnka, čo zapríčiňuje odraz slnečného obrazu od skosených rohov lamiel.

Tieto problémy sa do istej miery spájajú s lamelami inštalovanými pod úrovňou očí. To naznačuje, že sklené lamely smerujúce denné svetlo, by sa mali používať len v najvyšších častiach fasády, aby sa predišlo opísaným problémom. Na vylepšenie tohto systému slnečného tienenia sú potrebné testy zahŕňajúce odozvu samotných používateľov.

Energetická hospodárnosť

Na posúdenie vplyvu tieniaceho systému na spotrebu energie v budove sa uskutočnili tepelné a svetelné výpočty pomocou programu Building Calc/LightCalc (DTU - Dánska technická univerzita, 2005). Výpočty sa vykonali na jednoduchom modeli tradičnej bunkovej kancelárie, podobnej experimentálnym miestnostiam v dennom laboratóriu na SBi. Stručné výsledky sú uvedené v tab. 3 [4].

Výpočty ukazujú, že ak ide o chladenie a vetranie, tradičné nepohyblivé netransparentné lamely znižujú slnečné zisky účinnejšie než testované lamely na presmerovanie denného svetla. Testovaný systém však účinnejšie znižuje energetické požiadavky na osvetlenie, v dôsledku čoho sa znižuje celková potreba energie. Tieto výpočty sú predbežné a musia po nich nasledovať podrobnejšie výpočty a úplné energetické merania.

Tab. 3 Vypočítaná potreba energie na chladenie, osvetlenie, nútené vetranie a vykurovanie v administratívnej budove pri rozličných zariadeniach na slnečné tienenie

	Spolu (kWh/(m2.rok))	Chladenie (kWh/(m2.rok))	Osvetlenie (kWh/(m2.rok))	Vetranie (kWh/(m2.rok))	Vykurovanie (kWh/(m2.rok))
Miestnosť bez tienenia	76	23	23	26	4
Okno s nepohyblivými tmavými netransparentnými lamelami	72	3	41	21	7
Okno s nepohyblivými svetlými netransparentnými lamelami	64	4	31	22	7
Okno s dynamickými reflexnými sklenými lamelami	60	9	24	23	4

Tab. 3 Vypočítaná potreba energie na chladenie, osvetlenie, nútené vetranie a vykurovanie v administratívnej budove pri rozličných zariadeniach na slnečné tienenie

Diskusia

Merania ukazujú, že celoplošný systém sklených lamiel sa správa podľa očakávania. V podmienkach zatiahnutej oblohy sa činiteľ dennej osvetlenosti v oblasti okien, kde je množstvo denného svetla už aj tak dosť vysoké, zníži. Redukcia D sa smerom do zadnej časti miestnosti znižuje. V najvzdialenejšom bode zostáva D nezmenený, alebo dokonca o niečo vyšší pri použití lamelového systému. V dôsledku toho lamely smerujúce denné svetlo poskytujú lepšiu distribúciu denného svetla naprieč miestnosťou, pričom sa zlepší vizuálna pohoda a zníži potreba umelého osvetlenia. Pri slnečnom počasí je systém schopný znížiť úroveň osvetlenosti v celej miestnosti. To naznačuje, že slnečné zisky sa taktiež znížia, nehovoriac o úsporách energie na vetranie a chladenie.

Záver

Podarilo sa vyvinúť systém slnečného tienenia s nastaviteľnými sklenými lamelami, ktoré majú na jednej strane reflexnú vrstvu regulujúcu prienik slnečného žiarenia. Úplný prototyp systému sa testoval v laboratóriu denného osvetlenia na SBi.

Merania pri zatiahnutej oblohe ukazujú, že tieniaci systém zlepšuje distribúciu denného svetla po miestnosti v prípade, keď sú lamely natočené 30° smerom von, s reflexným povrchom smerujúcim k oblohe. V oblasti okna sa činiteľ dennej osvetlenosti znižuje. Vďaka vlastnosti lamiel smerovať svetlo zostáva v zadnej časti miestnosti, kde je to najviac potrebné, tento činiteľ nezmenený, či dokonca vyšší. Pri slnečnej oblohe sú lamely pootočené do vertikálnej polohy s reflexným povrchom smerom von. Merania ukazujú, že intenzita osvetlenia sa naprieč miestnosťou znižuje. To naznačuje, že slnečné zisky sa tiež znížia. Predbežné výpočty ukázali pri použití testovaného systému v porovnaní s tradičnými tieniacimi systémami možnú redukciu potreby energie na chladenie a osvetlenie. Tieniaci systém je teda schopný znížiť celkovú potrebu energie a súčasne udržiavať podmienky na dobré denné osvetlenie a výhľad.

Objavili sa však aj rôzne problémy spojené s vizuálnou pohodou, ako sú oslnenie, zrkadlenie oblohy, narušené videnie, slnečné pásy a premietanie slnečného obrazu. Pri sklone smerom von s cieľom smerovať denné svetlo dovnútra spôsobujú odrazy oblohy alebo slnka silnú vizuálnu nepohodu. Tieto problémy sa najčastejšie spájajú s vysokou odrazivosťou lamiel, zvlášť tých, ktoré sa nachádzajú pod úrovňou očí. Z toho vyplýva, že lamely smerujúce denné svetlo by sa mali používať len v najvyšších častiach fasády, aby sa predišlo opísaným problémom. Predbežné výpočty ukazujú, že ak ide o chladenie a vetranie, tradičné nepohyblivé netransparentné lamely znižujú tepelné zisky účinnejšie než testované lamely smerujúce denné svetlo. Testovaný systém však účinnejšie znižuje potrebu energie na osvetlenie, v dôsledku čoho sa znižuje celková potreba energie. Na ďalšie vylepšenie dizajnu a energetickej účinnosti sú potrebné testy zahŕňajúce posúdenie tieniaceho systému samotnými užívateľmi.

Simulácie a merania tieniaceho systému v podmienkach zamračenej oblohy ukazujú zníženie činiteľov dennej osvetlenosti v blízkosti fasády pri nezmenených či dokonca vyšších činiteľoch v zadnej časti kancelárie. V podmienkach slnečnej oblohy sa lamely pootočia do vertikálnej pozície, v ktorej reflexná vrstva výrazne prispeje k zníženiu tepelnej záťaže kancelárie.

Autori ďakujú za finančnú podporu programu Dansk Energi's R&D.
Preklad zabezpečil Ing. Michal Krajčík, odborne spolupracoval prof. Ing. Jozef Hraška, PhD.

Literatúra

1. IESveIES<virtual environment>, version 5.5. Integrated Environmental Solutions Ltd. Glasgow, 2003.
2. BYG.DTU BuildingCalc/LightCalc, Building simulation tool. Computer program, Department of Civil Engineering, Technical University of Denmark: 2007.
3. SKOTTE, T.: Dagslysdirigerende solafsk?rmende glaslameller. Diplomová práca. BYG-DTU, Technical University of Denmark, Department of Civil Engineering. Kgs Lyngby: 2007.
4. LAUSTSEN J. B., SANTOS I. D. P., SVENDSEN S., TRABERG-BORUP S., JOHNSEN K.: Solar Shading System Based on Daylight Directing Glass Lamellas.In: 11th International Conference on Indoor Air Quality and Climate 2008. Copenhagen: 2008.
5. Danish building regulations Danish Enterprise and Construction. Copenhagen: 2008.