Проектирование для сбора дневного света, чтобы минимизировать использование энергии искусственного освещения
Введение в дневное сбор урожая в современной архитектуре
Дневной сбор стал преобразующей стратегией в устойчивом дизайне зданий, предлагая мощное средство для сокращения потребления энергии при одновременном повышении качества внутренних помещений. Благодаря интеллектуальному захвату и распределению естественного света этот подход снижает потребность в электрическом освещении в светлое время суток - одной из самых больших единичных нагрузок в коммерческих зданиях. По данным Министерства энергетики США, на освещение приходится примерно 17% всей электроэнергии, потребляемой в коммерческих зданиях, что делает сбор дневного света критическим рычагом для сокращения выбросов углерода и экономии операций. Помимо энергоэффективности, воздействие естественного света, как было показано, улучшает настроение, производительность и здоровье циркадного населения. В этой статье рассматриваются принципы, преимущества, проблемы и технологии, лежащие в основе эффективного сбора дневного света, предоставляя всеобъемлющее руководство для архитекторов, инженеров и владельцев зданий, стремящихся минимизировать использование энергии искусственного освещения.
Что такое сбор дневного света?
Дневной свет является практикой использования солнечного света в качестве основного источника света внутри зданий и автоматической регулировки искусственного освещения для поддержания желаемых уровней освещения. Он охватывает как пассивные элементы дизайна, такие как размещение окон, затенение и отражающие поверхности, так и активные системы управления, которые тускнеют или выключают электрические огни в ответ на доступный дневной свет. Хорошо спроектированная система сбора дневного света не просто затопляет пространство солнечным светом; она тщательно модулирует свет, чтобы избежать бликов, теплового дискомфорта и неравномерного распределения. Конечной целью является предоставление нужного количества света, где и когда это необходимо, используя наименьшее количество электрической энергии. Этот систематический подход был кодифицирован в стандартах, таких как DOE Daylighting Guidelines и Осветительная практика Общества светотехники (RP-5).
Основные принципы дизайна для эффективного сбора дневного света
Успешная сборка дневного света начинается на самых ранних стадиях проектирования здания. Архитекторы и инженеры должны рассматривать ориентацию, фехтование, внутреннюю отделку и системы управления как единое целое. Следующие принципы составляют основу энергоэффективной стратегии дневного света.
Ориентация и масса зданий
Ориентация длинной оси здания восток-запад максимизирует воздействие фасада на юг и север, сводя к минимуму проблемное восточное и западное остекление. В северном полушарии окна, обращенные на юг, захватывают наиболее последовательный дневной свет в течение года, особенно в сочетании с соответствующим размером свесов или легких полок. Стекло, обращенное на север, обеспечивает мягкий, диффузный свет с минимальным прямым солнцем, идеально подходит для рабочих пространств, требующих даже освещения. Окна, обращенные на восток и запад, должны быть ограничены, потому что низкоугольное утреннее и дневное солнце создает интенсивные блики и высокие тепловые нагрузки. Массирование зданий также может включать внутренние дворы, предсердия или легкие колодцы, чтобы принести дневной свет в глубокие напольные пластины.
Размещение окон, размер и остекление
Для того, чтобы сбалансировать дневной свет с энергетическими характеристиками, дизайнеры часто следуют эмпирическому правилу, что соотношение окна к стене (WWR) должно варьироваться от 20% до 40% для занятых пространств, в зависимости от климата и ориентации. Высокопроизводительное остекление, такое как покрытия с низким уровнем E, спектрально селективные оттенки и стекло с вакуумной изоляцией, допускает видимый свет, отклоняя усиление солнечного тепла. Электрохромное (умное) стекло может динамически регулировать свой оттенок в ответ на солнечный свет, дополнительно оптимизируя дневной свет без бликов.
Высота оконной головки особенно важна: поднятие окон ближе к потолку позволяет свету проникать глубже в комнату.Клересторные окна, световые люки и крыши пиломатериалов являются эффективными стратегиями для привлечения дневного света во внутренние зоны, которые не имеют прямого доступа к стенам периметра.
Световые полки и отражатели
Световые полки представляют собой горизонтальные перегородки, расположенные над уровнем глаз, часто на внутренней и внешней стороне окон, обращенных к югу, которые отражают дневной свет на потолок и глубже в пространство. Белый или слегка окрашенный потолок действует как вторичный отражатель, распределяя рассеянный свет по комнате и уменьшая контраст между окном и задней стеной. Внешние световые полки также помогают затенить нижнюю часть окна, уменьшая блики вблизи периметра. Отражательные жалюзи или системы лювера могут выполнять аналогичную функцию, хотя автоматические жалюзи, интегрированные с элементами управления дневного света, дают лучшие результаты.
Внутренняя отделка и отделка поверхности
Расположение мебели, перегородок и оборудования не должно блокировать дневные световые дорожки. Открытые планировки с низковысотными кабинами и офисами со стеклянными стенами предпочтительнее, чтобы свет мог проходить через пространство. Спекулярная и матовая отделка на стенах, потолках и полах играют важную роль: светоотражающая потолочная краска (LRV > 80%) и светлые стены помогают отражать свет дальше, в то время как темные отделки поглощают свет и увеличивают потребность в искусственном освещении. Внутренние поверхности также должны быть выбраны для управления завесными отражениями на экранах компьютеров - распространенная причина визуального дискомфорта в офисах при дневном освещении.
Автоматизированные датчики и контроллеры
Даже самый лучший пассивный дизайн нуждается в активных элементах управления для реализации экономии энергии. Система управления, собирающая дневной свет, обычно включает в себя один или несколько фотодатчиков (или датчиков яркости), контроллер и диммируемые или ступенчатые драйверы освещения. Фотодатчики измеряют освещенность (или иногда яркость) в пространстве и отправляют сигнал контроллеру, который регулирует выход электрического света для поддержания целевой точки. Расширенные системы используют замкнутый цикл или контроль открытого цикла : датчики замкнутого цикла измеряют как дневной свет, так и электрический свет внутри зоны (часто вблизи области задач), в то время как датчики открытого цикла сталкиваются с окном или световым окном и оценивают доступный дневной свет до того, как он достигнет пассажиров. Двухуровневое переключение (включение / выключение), непрерывное затемнение и ступенчатое затемнение являются общими стратегиями управления, с непрерывным затемнением, обеспечивающим плавный переход и наибольшее принятие пользователем.
Преимущества дневного сбора урожая
При правильном осуществлении сбор дневного света дает каскад преимуществ, которые выходят далеко за рамки счета за коммунальные услуги. Следующие преимущества хорошо задокументированы в строительной научной литературе.
Измеримая экономия энергии
Коммерческие здания могут снизить потребление энергии освещения на 20-60% в зонах периметра и на 30-50% в пространствах с подсветкой, в зависимости от климата, дизайна окон и стратегий управления. Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория и другие исследовательские органы показали, что интегрированные регуляторы затемнения в офисных зданиях могут сэкономить до 1,0-1,5 кВтч на квадратный фут в год. Эта экономия также снижает охлаждающие нагрузки, потому что электрические огни производят тепло; 50%-е снижение мощности освещения может снизить энергию охлаждения на 10-15% в теплом климате. За время жизни здания эти эффективность компенсируют дополнительные затраты на остекление, элементы управления и затенение устройств.
Улучшение благосостояния и производительности жильцов
Доступ к естественному свету последовательно оценивается как наиболее желательная функция в офисах и школах. Многочисленные исследования, в том числе из Института мировых ресурсов и Heschong Mahone Group, связывают воздействие дневного света с более высокой производительностью труда, снижением прогулов и лучшими результатами тестов для студентов. Daylight поддерживает циркадный ритм человека, помогая регулировать циклы сна-бодрствования и улучшение настроения. В медицинских учреждениях дневное освещение комнат пациентов связано с более коротким временем восстановления и уменьшенной потребностью в обезболивающих препаратах. Эти неэнергетические преимущества все чаще ценятся арендаторами и владельцами в рамках программ сертификации благосостояния, таких как WELL и Fitwel.
Укрепление экологических целей и целей устойчивого развития
Уборка дневного света непосредственно способствует созданию сертификационных точек зеленого строительства в рамках LEED, BREEAM и других рейтинговых систем. Снижение спроса на электроэнергию от освещения также снижает выбросы парниковых газов от электростанций. В юрисдикциях со строгими энергетическими кодами (например, ASHRAE 90.1, Title 24) дневные светочувствительные элементы управления часто являются обязательными для помещений с достаточным количеством дневного света. Благодаря раннему включению дневного света дизайнеры могут уменьшить размер механических систем и фотоэлектрических массивов, дополнительно сокращая воплощенный углерод и первоначальные затраты.
Проблемы и практические решения
Несмотря на свои обещания, сбор дневного света не является подключаемым и игровым. Плохо спроектированные системы могут привести к бликам, тепловому дискомфорту и неудовлетворенности пользователей, иногда даже к увеличению потребления энергии. Ниже приведены наиболее распространенные подводные камни и способы их устранения.
Глаза и визуальный комфорт
Избыточный контраст яркости между окнами и внутренними поверхностями вызывает блики инвалидности и дискомфорт. Для смягчения этого используют светодиффузионное остекление, внутренние жалюзи или оттенки и антибликовые покрытия. Позиционные рабочие станции перпендикулярны окнам, а не обращены к ним. Автоматизированные роликовые оттенки, интегрированные с датчиками дневного света, могут понижаться, когда углы солнца производят резкий свет и подниматься, когда небо пасмурно. Эффективной стратегией является разделение окна на зону обзора (ниже высоты подоконника) и зону дневного света (выше высоты подоконника); верхняя часть может иметь прозрачное или диффузионное стекло, а нижняя часть может включать затенение для защиты от бликов.
Тепловой прирост и перегрев
Большие окна, допускающие обильное дневное освещение, также могут допускать чрезмерное солнечное тепло, увеличивая охлаждающие нагрузки. Это особенно проблематично на восточном и западном фасадах. Низкий коэффициент усиления солнечного тепла (SHGC) остекление, наружные затеняющие плавники или жалюзи и изолированные спанделевые панели помогают управлять тепловыми нагрузками. Динамическое остекление (электрохромное или термохромное), которое модулирует оттенок на основе интенсивности солнечного света, предлагает элегантное решение. В жарком климате дизайнеры часто используют подход «первый дневной свет»: обеспечивают дневной свет в основном через северное остекление и световые люки, где прямое солнце минимизируется, и полагаются на более сильно затененные окна для просмотра.
Непоследовательное освещение и переохлаждение
Фотосенсоры, которые плохо расположены или неправильно откалиброваны, могут привести к тому, что электрические огни будут тускнеть слишком много или слишком мало, что приведет к «войнам освещения», когда пассажиры перекрывают систему. Чтобы этого избежать, датчики должны быть размещены на потолке рядом с плоскостью работы, обращенными вниз, вдали от прямого оконного света. Продвинутый ввод в эксплуатацию с ручным счетчиком необходим; настройки должны быть проверены на наличие пасмурных, частично облачных и солнечных условий неба. Некоторые системы включают настройки «обрезки» и «снижения», которые ограничивают максимальный выход и регулируют кривую затемнения, чтобы соответствовать доступному дневному свету без недостаточного освещения задачи.
Принятие пользователя и возможность отмены
Занятые часто сопротивляются автоматическому затемнению, если они чувствуют, что теряют контроль. Лучшая практика заключается в предоставлении локальных переключателей или диммеров, которые позволяют ручную настройку в ограниченном диапазоне - обычно ± 20% от автоматической установки. Обучение пассажиров цели и преимуществам системы, а также установка удобных элементов управления, значительно улучшает принятие. Датчики обратной связи с пассажирами также могут использоваться для адаптации стратегии с течением времени, обеспечивая комфорт и экономя энергию без разочарования пользователя.
Ключевые технологии и стратегии контроля
Аппаратное и программное обеспечение, которое позволяет проводить современные уборки дневного света, значительно продвинулось вперед. Понимание компонентов и их взаимодействия имеет решающее значение для определения системы, которая обеспечивает как экономию, так и комфорт.
Типы фотосенсоров и их размещение
Фотодатчики используют фотодиоды, которые преобразуют свет в ток, пропорциональный освещенности. Два распространенных типа — кремниевые фотодиоды (широкий спектральный отклик) и фильтрованные фотодиоды, которые соответствуют фотопической кривой человеческого глаза. Поле зрения датчика должно охватывать область задачи, не видя окна напрямую — в противном случае оно будет реагировать на изменение условий неба, а не фактическую освещенность на столе. В системах с открытым циклом датчики устанавливаются на потолке, обращенном к окну, в то время как датчики с замкнутым циклом сталкиваются с плоскостью работы с потолка. Беспроводные датчики (например, EnOcean, Zigbee) упрощают установку модернизации.
Димминг балластов и водителей
Для флуоресцентного освещения используются диммирующие балласты с 0-10 В или DALI-контролем. Для светодиодов стандартны диммируемые драйверы, принимающие 0-10 В, DALI или беспроводные протоколы. Непрерывное затемнение от 100% до 10%-1 % предпочтительно, поскольку обеспечивает незаметные переходы. Пошаговое затемнение (например, полное, 50%, выключение) дешевле, но часто вызывает видимые изменения прыжка, которые раздражают пассажиров. Новые адресные драйверы позволяют управлять прикреплением, позволяя зонировать в пределах одного пространства.
Ввод в эксплуатацию и постоянная настройка
В исследовании 2017 года, проведенном Национальной лабораторией Лоуренса Беркли, многие установленные системы сбора дневного света не смогли достичь ожидаемой экономии, потому что они никогда не были надлежащим образом введены в эксплуатацию. Ввод в эксплуатацию включает калибровку порогов датчиков, установление уровней освещения для нескольких условий неба, проверку кривых затемнения и обучение операторов зданий. Текущая настройка - корректировка параметров сезонно или после обновления пространства - обеспечивает долгосрочную производительность. Некоторые современные системы используют алгоритмы машинного обучения для самокалибровки на основе данных о заполняемости и погоде, уменьшая необходимость ручного ввода в эксплуатацию.
Тематические исследования в эффективном сборе дневного света
Здание New York Times (Нью-Йорк)
Этот культовый небоскреб имеет керамический стержень занавесной стены, которая рассеивает дневной свет глубоко в открытые полы при одновременном снижении прямого солнечного тепла. Фотосенсоры на каждом этаже тускнеют над головой светодиодное освещение в ответ на доступный дневной свет, достигая 25% снижения энергии освещения. Стратегия дневного света была интегрирована с высокопроизводительным фасадом и распределением воздуха под полом для максимального комфорта и эффективности.
Епископ Эдвард Кинг Чапел (Линкольншир, Великобритания)
Хотя проект меньше, эта часовня демонстрирует, как точное моделирование дневного света может устранить электрическое освещение в течение дня. Пиловая крыша с клереториями на южном направлении отскакивает свет от изогнутых белых гипсовых стен, создавая равномерно освещенный интерьер без бликов. Никакие искусственные огни не нужны от рассвета до заката, обеспечивая решение освещения с почти нулевой энергией.
Штаб-квартира Фонда Дэвида и Люсиль Паккард (Лос-Альтос, Калифорния)
Это здание с нулевым энергопотреблением использует подход «первого дневного освещения» с северными световыми пилами и внутренними световыми полками. Электрические огни автоматически затемняются и зонируются через систему DALI с фотодатчиками. Здание использует на 52% меньше энергии освещения, чем базовый уровень, соответствующий коду, и опросы пассажиров сообщают о высоком удовлетворении визуальным комфортом и подключением к открытому воздуху.
Будущие тенденции в сборе дневного света
По мере развития строительных технологий сбор дневного света становится умнее и более интегрированным. Цены на электрохромное остекление снижаются, делая динамические фасады более доступными. Системы освещения, подключенные к IoT, теперь объединяют данные дневного света с заполняемостью, загрузкой и датчиками HVAC для оптимизации всей энергетической экосистемы здания. Расширенные инструменты моделирования дневного света, такие как Radiance, DIVA и Ladybug, позволяют дизайнерам прогнозировать производительность в тысячах условий неба до начала строительства. Кроме того, рост ориентированного на человека освещения (HCL) подчеркивает не только экономию энергии, но и спектральное качество и время воздействия света, а сбор дневного света в качестве основного механизма доставки. Следующее поколение элементов управления будет использовать встроенный искусственный интеллект для прогнозирования предпочтений пользователей, адаптации к местным прогнозам погоды и координации дневного света с электрическим светом в режиме реального времени.
Заключение
Проектирование для сбора дневного света больше не является нишевой тактикой зеленого строительства - это проверенный, экономически эффективный метод резкого сокращения использования энергии искусственного освещения при повышении человеческого опыта в зданиях. Успех требует интегрированного процесса проектирования, который уравновешивает ориентацию, фехтование, внутреннюю отделку и расширенные элементы управления. При выполнении с осторожностью сбор дневного света может обеспечить снижение энергии на 40-60% в зонах дневного света, повысить удовлетворенность и производительность пассажиров и внести значимый вклад в цели устойчивого развития. С ускорением нормативного давления и растущим спросом на жильцов для здоровых помещений архитекторы и инженеры, которые овладеют сбором дневного света, будут хорошо позиционированы, чтобы привести рынок к более яркой, более эффективной среде.