2. ทฤษฎีเกี่ยวกับแสงธรรมชาติ ประเทศไทยอยู่ในภูมอิ ากาศเขตร้อนชืน้ อุณหภูมเิ ฉลีย่ ทัง้ ปี มคี า่ 28-29 oC กลางวันมีค่าประมาณ 30-31 oC สภาพท้องฟ้ามีเมฆมาก มีแดดจัดเกือบทัง้ ปี ระดับความสว่างมีค่า 10,000 lux ขึน้ ไป( 99% ของกลางวัน) ความ ชัดเจนของการมองเห็น เกิดจากปริมาณแสงทีต่ กกระทบบนวัตถุในระดับทีแ่ ตกต่างกัน ทาให้เกิดความเปรียบต่าง (Contrast) และเกิดจากคุณสมบัตขิ องวัตถุมผี ลทาให้เกิดความสว่างบนผิว (Brightness) ในระดับทีต่ ่างกัน สีต่างๆ ของวัตถุ เป็ นผลมาจากช่วงคลื่นของแสงทีส่ อ่ งจากแหล่งกาเนิดกระทบวัตถุ เกิดการหักเห ดูดกลืน หรือสะท้อนคลื่นสีต่างๆออกมา แสงสว่างธรรมชาติให้ช่วงคลื่นกว้างทีส่ ดุ (มีทุกคลื่นสี) วัตถุต่างๆภายใต้แสง ธรรมชาติให้สที ถ่ี ูกต้องใกล้เคียงความเป็ นจริงมากทีส่ ดุ
2.1 วันที่เวลาสมดุล (Equinox) วันเริ่ มฤดูร้อน (Summer solstice) และวันเริ่ มฤดู หนาว (Winter solstice) 2.1.1 วันที่เวลาสมดุล เป็นวันทีท่ ุกๆ แห่งบนพืน้ โลกมีระยะเวลากลางวัน และกลางคืน 12 ชัวโมง ่ เท่าๆ กัน และดวงอาทิตย์จะเดินทางตัง้ ฉากกับเส้นศูนย์สตู รพอดี สาหรับในวันที่ 21 มีนาคมเรียกว่าวันเวลาทีส่ มดุล ในฤดูใบไม้ผลิ (Vernal Equinox) และวันที่ 23 กันยายนเรียกว่าวันเวลาสมดุลในฤดูใบไม้ร่วง (Autumnal Equinox) 2.1.2 วันเริ่ มฤดูร้อน เป็นวันทีต่ าแหน่งขัว้ โลกเหนือเบนเข้าหาดวงอาทิตย์มากทีส่ ดุ ส่วนขัวโลกจะ ้ เบนออกจากดวงอาทิตย์ วันนัน้ ก็คอื 22 มิถุนายน 2.1.3 วันเริ่ มฤดูหนาว เป็นวันทีต่ าแหน่งขัว้ โลกเหนือเบนออกจากดวงอาทิตย์มากทีส่ ดุ และขัว้ โลก เบนเข้าหาดวงอาทิตย์มากทีส่ ดุ วันนัน้ คือ 22 ธันวาคม
ภาพที่ 16 แสดงปรากฏการณ์ทด่ี วงอาทิตย์ออ้ มเหนือ และอ้อมใต้ทว่ี นั ต่างๆ ทีม่ า : Stein and Reynolds, Mechanical and Electrical Equipment for Buildings. (1992) p.1495.
15
ภาพที่ 17 แสดงปรากฏการณ์วนั ทีเ่ วลาสมดุล (Equinox) วันเริม่ ฤดูรอ้ น (Summer solstice) และวันเริม่ ฤดูหนาว (Winter solstice) ทีม่ า : เรือ่ งเดียวกัน, p.1495.
2.2 สภาพท้องฟ้ า (Sky Condition) ค่าความสว่างและความจ้าของท้องฟ้า ปริมาณแสงธรรมชาติแปรเปลีย่ นตลอดเวลา เนื่องจากการเปลีย่ น ตาแหน่งดวงอาทิตย์ ปริมาณเมฆ และอนุภาคในอากาศ เช่น ฝุน่ ควัน หรือไอน้า สภาพของท้องฟ้าแยกพิจารณาออกเป็ น 3 ลักษณะคือ
2.2.1. สภาพท้องฟ้ าที่ปกคลุมด้วยเมฆจนไม่สามารถมองเห็นแหล่งกาเนิ ดแสง หรือดวง อาทิ ตย์ได้ (Overcast Sky หรือเรียกว่า CIE Sky) มีความสว่างในปริมาณทีแ่ ตกต่างกัน (Non Uniform Brightness) ความสว่างระดับสูงสุดทีส่ อ่ งกระทบพืน้ ผิวในระนาบมีความสว่างมากกว่าในแนวระนาบทีส่ อ่ งกระทบ พืน้ ผิวในแนวตัง้ (ประมาณ 3 เท่า) อีกกรณีคอื มีความสว่างในปริมาณทีส่ ม่าเสมอกัน (Uniform Brightness) ความสว่างในระดับสูงสุดที่ ส่องกระทบพืน้ ผิวในแนวระนาบ มีความสว่างเท่ากับในแนวระนาบทีส่ อ่ งกระทบพืน้ ผิวในแนวตัง้
ภาพที่ 18 แสดงท้องฟ้าแบบทีป่ กคลุมด้วยเมฆจนไม่สามารถมองเห็นแหล่งกาเนิด ทีม่ า : เรือ่ งเดียวกัน, p. 974.
16
2.2.2. สภาพท้องฟ้ าโปร่งไม่มีเมฆปกคลุม (Clear Sky) ความสว่างลักษณะนี้เกิดจาก 2 องค์ประกอบคือ แสงกระจายจากท้องฟ้า (Diffuse Illumination) และแสงจากดวงอาทิตย์ (Direct Sun) ซึง่ ขึน้ กับ ตาแหน่งของดวงอาทิตย์ (Solar altitude) เป็ นหลัก ความส่องสว่างของพืน้ ผิวแนวระนาบจากแสงกระจายของท้องฟ้า หากพิจารณาเพียงครึง่ ส่วน ท้องฟ้า (Half Sky) จะมีค่าความส่องสว่างอยู่ระหว่าง 300-2,000 ฟุตแคนเดิล และมีคา่ เฉลีย่ 1,000 ฟุตแคนเดิล ความส่องสว่างของพืน้ ผิวในแนวตัง้ ขึน้ อยู่กบั มุม azimuth และ altitude หรือมุม bearing ของดวง อาทิตย์ เนื่องจากปริมาณความสว่างทีไ่ ม่สม่าเสมอของท้องฟ้าลักษณะนี้มคี วามสว่างสูงในทิศทางทีอ่ ยูใ่ กล้ดวง อาทิตย์ และลดต่าลงเมื่ออยูห่ ่าง หรือด้านตรงข้ามดวงอาทิตย์
ภาพที่ 19 แสดงท้องฟ้าแบบโปร่งไม่มเี มฆปกคลุม (Clear Sky) ทีม่ า : เรือ่ งเดียวกัน, p. 974.
2.2.3. สภาพท้องฟ้ ามีเมฆปกคลุมบางส่วน (Partly Cloudy Sky) การหาค่าความสว่างของท้องฟ้า ลักษณะนี้ทาได้ยากเนื่องจากการแปรเปลีย่ นของเมฆตลอดเวลา หากเมฆทีป่ กคลุมมีลกั ษณะเบาบาง ไม่หนาทึบ (น้อย) ค่าความส่องสว่างจากท้องฟ้ามีค่ามากกว่าทีไ่ ด้จากท้องฟ้าแบบโปร่ง 10 ถึง 15 % เนื่องจากการสะท้อนแสง ของเมฆ หากเมฆทีป่ กคลุมท้องฟ้าเป็ นกลุ่มหนาทึบ หรือมีสดี า เช่นเมฆฝน อาจทาให้แสงกระจายทีส่ ะท้อน จากท้องฟ้า และปริมาณแสงตรงจากดวงอาทิตย์ถูกกัน้ นัน้ คือแสงจะถูกดูดกลืนมากกว่าสะท้อน ทาให้ค่าความสว่าง จากท้องฟ้าลดลง
2.3 การแผ่รงั สีของดวงอาทิ ตย์ เป็ นการถ่ายเทพลังงานผ่านบรรยากาศในรูปของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Wave) แบ่ง ออกเป็ น 2 ประเภทคือ 2.3.1. การแผ่รงั สีดวงอาทิ ตย์นอกบรรยากาศโลก (Solar Radiation) เกิดจากพืน้ ผิวทีม่ ี อุณหภูมสิ งู ของดวงอาทิตย์แผ่รงั สีในรูปคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแลกเปลีย่ นกับผิวโลกทีม่ รี ะยะห่างจากกัน 93 ล้านไมล์ เป็ นการแผ่รงั สีคลื่นสัน้ (Shot-Wave Radiation) ในช่วงคลื่นรังสีอลั ตราไวโอเลต (Ultraviolet region) ซึง่ เป็ นช่วงความยาวคลื่น 0.29 – 0.40 นาโนเมตร ช่วงทีต่ ามองเห็น (Visible region) ซึง่ เป็ นช่วงความ ยาวคลื่น 0.40 - 0.70 นาโนเมตร และช่วงใกล้อนิ ฟราเรด (The near infrared region) ซึง่ เป็ นช่วงความยาวคลื่น 0.70 – 3.50 นาโนเมตร โดยมีสดั ส่วนปริมาณพลังงานเท่ากับ 7%, 39% และ 52% ตามลาดับ ปริมาณรังสีดวงอาทิตย์ทแ่ี ผ่นอกบรรยากาศโลกมีค่าแตกต่างเนื่องจากแกนโลกทีเ่ อียง และวง โคจรของโลกมีลกั ษณะเป็ นวงรีรอบดวงอาทิตย์ ซึง่ มีค่าเฉลีย่ 1,370 วัตต์/ตร.ม. มีค่าสูงสุด 1,418 วัตต์/ตร.ม.เมื่อ
17
โลกอยู่ใกล้ดวงอาทิตย์ทส่ี ดุ ประมาณวันที่ 3 มกราคม และมีคา่ ต่าสุด 1,325 วัตต์/ตร.ม. เมื่อโลกอยู่ห่างจากดวง อาทิตย์ทส่ี ดุ ประมาณวันที่ 4 กรกฎาคม (ASHRAE, 1993) 2.3.2. การแผ่รงั สีดวงอาทิ ตย์จากพื้นผิวโลก (Terrestrial Radiation) เกิดจากการ แลกเปลีย่ นระหว่างบรรยากาศทีห่ ่อหุม้ โลกและวัตถุบนพืน้ ผิวโลก เป็ นการแผ่รงั สีคลื่นยาว (Long-wave Radiation) ในช่วงคลื่นเหนืออินฟราเรด (The far infra-red region) ในการพิจารณาการแผ่รงั สีสามารถพิจารณาออกได้เป็ น รังสีตรงของดวงอาทิ ตย์ (ID : Direct Solar Radiation) เป็ นพลังงานทีไ่ ด้รบั โดยตรงจากดวง อาทิตย์ซง่ึ มีทศิ ทางของพลังงานจากดวงอาทิตย์มาถึงหน่วยรับบนพืน้ โลกไม่เปลีย่ นแปลง รังสีกระจายของดวงอาทิ ตย์ (Id : Diffuse Solar Radiation) เป็ นพลังงานทีไ่ ม่ได้รบั โดยตรง จากดวงอาทิตย์ แต่รบั จากตัวกลางทีข่ วางกัน้ รังสีดวงอาทิตย์ไว้ หรือเป็ นพลังงานทีไ่ ด้รบั จากท้องฟ้าทัง้ หมด รังสีสะท้อนของดวงอาทิ ตย์ (Ir: Reflected Solar Radiation) เป็ นพลังงานทีไ่ ด้รบั จากพืน้ ผิวที่ รังสีดวงอาทิตย์ตกกระทบแล้วสะท้อนกลับ รังสีรวมของดวงอาทิ ตย์ (IT : Total or Global Solar Radiation) คือพลังงานรังสีของดวง อาทิตย์ทงั ้ หมด ประกอบด้วย รังสีตรง รังสีกระจาย ทีไ่ ด้รบั ในแนวระนาบ โดยทัวไปจะวั ่ ดพลังงานรังสีรวมของดวง อาทิตย์บนระนาบระดับ ต่อหน่วยเวลา ต่อหน่วยพืน้ ทีส่ ามารถเขียนเป็ นสมการได้ดงั นี้
IT = ID + Id + Ir จากการศึกษาประสิทธิภาพความส่องสว่างต่อพลังงานทีต่ กกระทบของรังสีดวงอาทิตย์ในแนวระนาบพบว่า รังสีกระจายของดวงอาทิตย์มคี ่า 14 ลูเมนต่อวัตต์ รังสีตรงของดวงอาทิตย์มคี ่า 105 ลูเมนต่อวัตต์ รังสีรวมของดวง อาทิตย์ (รังสีตรงและรังสีกระจาย) มีค่า 119 ลูเมนต่อวัตต์
2.4 ความสัมพันธ์ระหว่างแสงธรรมชาติ กบั ปริ มาณการแผ่รงั สีดวงอาทิ ตย์ (The Relationship between Daylight and Solar Radiation) ความสัมพันธ์ของปริมาณการแผ่รงั สีของดวงอาทิตย์ทงั ้ หมดบนระนาบ (BTU/Hr.sq FT.) กับปริมาณความ สว่างจากแสงสว่างของดวงอาทิตย์ (Footcandle) E = 104.8 + 31.007 * I โดยที่ E คือปริมาณความสว่างจากแสงสว่างของดวงอาทิตย์ หน่วยเป็ น Footcandle I คือปริมาณการแผ่รงั สีของดวงอาทิตย์ทงั ้ หมดบนระนาบ หน่วยเป็ น BTU/Hr.sq FT.
2.5 ทฤษฎีการให้ความสว่างแก่อาคารโดยอาศัยแสงธรรมชาติ การพิจารณาระดับความสว่างภายในอาคารจากแสงสว่างธรรมชาติสามารถแยกได้เป็ น 2 แนวทางคือ พิจารณาจากค่าความส่องสว่างรวม (Absolute Illuminance) เป็ นการพิจารณาระดับความส่องสว่างใน อาคารทีต่ าแหน่งต่างๆ ในความสูงทีก่ าหนดจากระดับพืน้ ห้องนัน้ ๆ โดยวัดค่าความส่องสว่างเป็ นปริมาณแสงต่อ หน่วยพืน้ ที่ มีหน่วยเป็ น ฟุตแคนเดิล หรือลักซ์ ซึง่ ค่าความสว่างขึน้ อยู่กบั เวลา ทิศทางการเปิ ดของช่องแสง สภาพ ของท้องฟ้า
18
พิจารณาโดยอาศัยอัตราส่วนของระดับความส่องสว่างภายในต่อภายนอกอาคาร (Reletive Illuminance) ภายใต้สภาพท้องฟ้าแบบ Overcast Sky ค่าทีไ่ ด้เป็ นเปอร์เซนต์ ซึง่ มีค่าคงทีไ่ ม่แปรเปลีย่ นตาม ช่วงเวลาหรือทิศทางการเปิ ดช่องแสง หากแยกการพิจารณาออกเป็ นวิธกี ารวิเคราะห์การให้แสงสว่างภายในอาคาร อันเกิดจากแสงธรรมชาติโดยทัวไป ่ แยกได้เป็ น 2 วิธี 2.5.1 Lumen Method เป็นการพิจารณาค่าความส่องสว่างรวมทีต่ กกระทบ ณ จุดใดจุดหนึ่งในระดับที่ กาหนดภายในอาคาร เนื่องจากปริมาณแสงจากภายนอกทีส่ อ่ งผ่านช่องเปิ ดหรือช่องแสงเข้ามาในขณะนัน้ (แตกต่างจากวิธี Daylight Factor Method ทีเ่ หมาะสาหรับการวิเคราะห์ปริมาณแสงธรรมชาติเข้าอาคารในพื้นทีขนาด ่ ใหญ่ เช่น โรงงาน ซึง่ ปริมาณแสงสะท้อนจากภายนอก และพื้นผิวในอาคารมีผลต่อปริมาณแสงในอาคารน้อยมาก หมายถึงระดับแสงภายในขึ้นกับสภาพของท้องฟ้าเป็ นหลัก แต่กไ็ ม่ได้หมายความว่าห้องทีพ่ ้นื ทีข่ นาดเล็กจะใช้วธิ ี Daylight Factor ไม่ได้) หากห้องทีพ่ จิ ารณามีพน้ื ทีข่ นาดเล็ก ปริมาณแสงทีส่ ะท้อนจากภายนอกอาคาร เช่นพืน้ ดิน และแสงสะท้อนจากพืน้ ผิวภายใน เช่น ผนัง ฝ้าเพดาน จะมีผลต่อปริมาณแสงธรรมชาติทเ่ี ข้าสูภ่ ายในห้องนัน้ ๆ จึง ั ยทีม่ ผี ลกระทบต่อปริมาณแสงธรรมชาติเข้าไว้ดว้ ย ต้องพิจารณาโดยวิธี Lumen Method ซึง่ รวมปจจั การพิจารณาแบบ Lumen Method ไม่จาเป็ นต้องทราบค่าความส่องสว่างทีท่ ุกตาแหน่งภายในอาคาร โดยทัวไปสามารถพิ ่ จารณาเพียง 3 จุด (Station Point หรือ SP) ซึง่ อยู่กง่ึ กลางห้องในแนวตัง้ ฉากกับช่องเปิ ด และ กาหนดเป็ น SP max, SP mid และ SP min โดยที่ SP max คือตาแหน่งทีอ่ ยูห่ ่างจากช่องเปิดเป็ นระยะ 5 ฟุตทีร่ ะดับความสูง 0.75 เมตร (ระดับ Working plane) SP mid คือตาแหน่งทีจ่ ุดศูนย์กลางของห้อง ทีร่ ะดับความสูง 0.75 เมตร SP min คือตาแหน่งทีอ่ ยูห่ ่างจากผนังด้านตรงข้ามช่องเปิ ดเป็ นระยะ 5ฟุตทีร่ ะดับความสูง0.75 เมตร ซึง่ ค่าความส่องสว่างทีไ่ ด้กาหนดให้เป็ น E max, E mid และ E min โดยที่ E max คือค่าความส่องสว่างรวม (absolute illuminance) ทีว่ ดั ค่าได้ท่ี SP max E mid คือค่าความส่องสว่างรวม (absolute illuminance) ทีว่ ดั ค่าได้ท่ี SP mid E min คือค่าความส่องสว่างรวม (absolute illuminance) ทีว่ ดั ค่าได้ท่ี SP min และมีการพิจารณาปจั จัยหลัก 4 ปจั จัยทีม่ ผี ลต่อปริมาณและคุณภาพการส่องสว่าง ดังนี้ 1. ปริมาณแสงที่ตกกระทบถึงช่องเปิ ดเหนื อระนาบที่พิจารณา โดยพิจารณาตัวแปรของ แหล่งกาเนิดแสงธรรมชาติ คือดวงอาทิตย์ และท้องฟ้าทีม่ ผี ลกระทบต่อปริมาณแสง ได้แก่ ค่าความสว่าง และสภาพของท้องฟ้า มุมของดวงอาทิตย์ทก่ี ระทาต่อช่องเปิ ด ปริมาณความเข้มของแสงแดด (Intensity of Sunlight) โดยไม่รวมแสงแดดทีส่ อ่ งเข้าสูภ่ ายใน 2. ปริมาณแสงที่ตกกระทบถึงช่องเปิ ดตา่ กว่าระนาบที่พิจารณา โดยพิจารณาตัวแปรทีม่ ี ผลกระทบ ค่าความสว่างทีต่ กกระทบพืน้ ดินภายใต้สภาพท้องฟ้าแบบ clear หรือ overcast sky ค่าการสะท้อนแสงของดิน 3. ปริมาณแสงที่ผา่ นช่องเปิ ดเข้าสู่ภายในอาคาร โดยพิจารณาตัวแปรทีม่ ผี ลกระทบดังนี้ พืน้ ทีก่ ระจกของช่องเปิ ดทีแ่ สงสามารถผ่านได้ ค่าการส่งผ่านแสงของวัตถุทเ่ี ป็นช่องแสง อัตราส่วนระหว่างพืน้ ทีช่ ่องแสงทีแ่ สงสามารถส่องผ่านได้ต่อพืน้ ทีช่ ่องเปิ ดทัง้ หมด ความสกปรกของช่องแสงซึง่ มีผลต่อการส่องผ่านแสงอันเนื่องมาจากการสะสมของฝุน่ 19
4. ปริมาณแสงที่สามารถนามาใช้งาน และการกระจายของแสงในระดับ Working Plane โดย พิจารณา การกระจายตัวของแสงอันเนื่องมาจากการสะท้อนของพืน้ ผิวของวัสดุภายในห้อง อัตราส่วนความกว้าง ต่อความสูงของช่องเปิ ด อัตราส่วนความกว้าง ต่อความยาว ต่อความสูงของห้อง การพิจารณาโดยวิธี Lumen Method ถือว่าระดับของช่องเปิ ดทีอ่ ยู่ในระดับเท่ากันหรือสูงกว่าระดับ working plane เท่านัน้ (ช่องเปิ ดระดับต่ากว่ามีผลน้อยมาก) และความกว้างของช่องแสงถือว่าเท่ากับความกว้างของห้อง ด้านทีม่ ชี ่องแสงนัน้ ในการคานวณแสงธรรมชาติโดยวิธี Lumen Method มีสมการมาตรฐานในการคานวณดังนี้
Esp = Eev * Ag * Tg * CU โดยที่ Esp E ev Ag Tg CU
คือค่าระดับความส่องสว่างภายในทีจ่ ุดใดๆ ทีพ่ จิ ารณา คือค่าระดับความส่องสว่างภายนอกจากท้องฟ้าหรือพืน้ ดินทีต่ กกระทบพืน้ ผิวแนวตัง้
คือพืน้ ทีส่ ว่ นของช่องเปิ ดทีแ่ สงสามารถส่องผ่านเข้ามาได้ คือค่าการส่องผ่านของวัสดุของช่องเปิ ด คือ Coefficient of Utilization หรือ ค่าความสามารถในการนาแสงมาใช้ ช่องเปิ ด SP,E max
SP,E mid
1.50 m.
SP,E min
แนวกึ่งกลางห้อง
1.50 m.
(ก) ช่องเปิ ด SP,E max
1.50 m.
SP,E mid (ข)
กึ่งกลางห้(ข) อง
SP,E min
Working plane 0.75 m.
1.50 m.
ภาพที่ 20 แสดงการพิจารณาความสว่างตามวิธลี เู มน (Lumen Method) (ก) ผังพืน้ แสดงตาแหน่ง SP,E (ข) รูปตัดแสดงตาแหน่ง SP,E อย่างไรก็ตามในการพิจารณาค่า CU สามารถอธิบายด้วยความสัมพันธ์ระหว่างปริมาณแสงทีต่ กกระทบ ณ จุดใดๆในห้อง ต่อปริมาณแสงทีต่ กกระทบช่องเปิ ด ซึง่ ประกอบด้วยแสงจากท้องฟ้าและแสงจากการสะท้อนของ พืน้ ดิน (จะไม่กล่าวในรายละเอียดเนื่องจากมีสมการทีซ่ บั ซ้อนภายใต้สภาพท้องฟ้าแต่ละท้องฟ้า) 20
2.5.2 Daylight Factor Method เป็นการพิจารณาปริมาณความสว่างในอาคารทีไ่ ด้จากแสงธรรมชาติ ทีเ่ หมาะสาหรับพืน้ ที่ขนาดใหญ่ ระดับแสงภายในขึน้ กับสภาพท้องฟ้าเป็ นหลัก ซึง่ สัมพันธ์กบั ตาแหน่งของดวง อาทิตย์ (แปรตามวัน และเวลาทีต่ ่างกัน) องค์ประกอบทีส่ าคัญทีม่ ผี ลต่อแสงธรรมชาติโดยทัวไปพิ ่ จารณาจาก 3 องค์ประกอบคือ 1. องค์ประกอบจากท้องฟ้ า (Sky component : SC) โดยสภาพท้องฟ้าทีม่ หี ลายสภาพ เช่น ท้องฟ้าโปร่ง ไม่มเี มฆ (clear sky) หรือทีป่ กคลุมด้วยเมฆจนบางครัง้ ไม่สามารถมองเห็นดวงอาทิตย์ได้ (Completely overcast sky) ซึง่ มีผลต่อปริมาณความสว่างทีเ่ กิดขึน้
ภาพที่ 21 แสดงลักษณะขององค์ประกอบจากท้องฟ้า (Sky component; SC) ในห้อง ทีม่ า : Hopkinson, (1963) p. 51.
2. องค์ประกอบภายนอก (Externally reflected component : ERC) เป็ นการพิจารณาแสงทีเ่ กิด จากการสะท้อนของวัตถุ (หรือ อาคาร) ทีอ่ ยู่ภายนอกหรือข้างเคียง แสงส่องผ่านเข้ามาสูต่ วั อาคารเสมือนเป็ น แหล่งกาเนิดแสงอีกตัวหนึ่ง ซึง่ ปริมาณแสงขึน้ อยู่กบั ทิศทางทีแ่ สงสะท้อน หรือคุณสมบัตขิ องพืน้ ผิวทีส่ ะท้อนนัน้ ๆ
ภาพที่ 22 แสดงลักษณะขององค์ประกอบภายนอก (Externally Reflected Component; ERC) ในห้อง ทีม่ า : เรือ่ งเดียวกัน, p.52.
3. องค์ประกอบภายใน (Internally reflected component : IRC) เป็ นการพิจารณาแสงทีเ่ กิดจาก การสะท้อนของวัตถุ (หรือ อาคาร) ทีต่ งั ้ อยู่ภายในอาคารโดยได้รบั แสงจาก SC และ ERC และปริมาณแสงขึน้ อยู่ กับทิศทางทีแ่ สงสะท้อน หรือคุณสมบัตขิ องพืน้ ผิวทีส่ ะท้อนนัน้ ๆ เช่นเดียวกับ ERC
21
ภาพที่ 23 แสดงลักษณะขององค์ประกอบภายใน (Internally Reflected Component; IRC) ทีม่ า : เรือ่ งเดียวกัน, p.53.
ค่า Daylight Factor (DF) คือค่าสัดส่วนของปริมาณแสงทีต่ กลงบนพืน้ ทีภ่ ายในอาคารแต่ละจุดใดๆ ต่อ ปริมาณแสงทีต่ กลงบนพืน้ ทีแ่ นวระนาบภายนอกอาคาร ภายใต้สภาพ clear sky ทีไ่ ม่มสี งิ่ กีดขวาง ไม่รวมแสงตรง จากดวงอาทิตย์ (excluded direct sun) ค่าทีไ่ ด้เป็ นค่าเปอร์เซนต์ DF = ความสว่างภายใน * 100% ความสว่างภายนอก (ไม่รวมแสงแดดตรง)
ภาพพี่ 24 แสดงลักษณะของผลรวมเดไลท์ แฟกเตอร์ (Total Daylight Factors; DF) ในห้อง ทีม่ า : เรือ่ งเดียวกัน, p.53.
ภาพที่ 25 แสดงลักษณะของผลรวมเดไลท์ แฟกเตอร์ (Total Daylight Factors; DF) ทีม่ า : Stein and Reynolds, Mechanical and Electrical Equipment for Buildings. (1992) p.980.
\ เช่นหากค่า DF มีค่าเท่ากับ 10% เท่ากับพืน้ ทีภ่ ายในนัน้ ได้รบั ปริมาณแสงเท่ากับ 10% ของปริมาณแสง ภายนอก ภายใต้สภาพท้องฟ้าทีโ่ ปร่ง ไม่มสี งิ่ กีดขวางใดๆ ถึงแม้ว่าค่า DF นัน้ ไม่สามารถเป็ นตัวบ่งชีถ้ งึ ปริมาณของแสงทีแ่ น่ นอน แต่เป็ นตัวชีไ้ ด้ว่า ค่าทีเ่ หมาะสม สาหรับพืน้ ที่ หรือการทางานในชิน้ งานใดๆ มีความเหมาะสมเพียงพอหรือไม่ มีการกาหนดช่วงของค่า DF สาหรับ พืน้ ทีใ่ ช้งานต่างๆ
22
ตารางที่ 1 แสดงค่าประมาณ Daylight Factor สาหรับพืน้ ทีใ่ ช้งานต่างๆ การใช้งาน การอ่านหนังสือ การทางานปกติในช่วงเวลาขณะหนึ่ง การอ่านหนังสือ หรือการทีต่ อ้ งใช้สายตาในทีๆ่ หนึ่งในช่วงเวลานานพอสมควร หรือการ ทางานทีอ่ าจจะต้องมีอปุ กรณ์บางอย่างเข้าช่วย ซึง่ ไม่มอี นั ตรายมาก สาหรับการทางานทีต่ อ้ งการความละเอียดสูง หรือการใช้เครื่องจักร อุปกรณ์ทอ่ี าจต้อง ระมัดระวังเรื่องการเกิดอันตราย
th
ค่า DF % 1.5 – 2.5 2.5 – 4.0 4.0 – 8.0
ทีม่ า : Millet and Bedrick ( 1980) อ้างถึงใน Mechanical and Electrical Equipment for Building 8 Edition, pp 1977.
2.6 ทฤษฎีเกี่ยวกับการส่องสว่าง (Illumination) เมื่อแสงจากแหล่งกาเนิดแสงตกกระทบวัตถุ หรือพืน้ ทีใ่ ดๆ เป็ นผลให้แสงส่วนหนึ่งสะท้อนเข้าสูด่ วงตาทาให้ เกิดการมองเห็น ปริมาณแสงทีต่ กกระทบวัตถุหรือพืน้ ทีน่ นั ้ ๆ เราเรียกว่า การส่องสว่าง หรือ ความสว่าง (Illumination) ซึง่ มีนิยามทีเ่ กีย่ วข้องกับการส่องสว่างดังนี้ 2.6.1 ปริ มาณแสง (Luminous Flux) คือปริมาณแสงทีเ่ ปล่งออกมาจากแหล่งกาเนิดแสง (Light Output) ในหนึ่งหน่วยเวลา เป็ นการบอกค่าพลังงาน หรือกาลังงานของแหล่งกาเนิดแสง (Power of Light Source) ในรูปของเส้นแรงปริมาณแสงทีอ่ อกมาจากแหล่งกาเนิดแสงนัน้ ๆ มีหน่วยเป็ นลูเมน (Lumen)
2.6.2 Solid angle () เป็นการวัดส่วนหนึ่งของพืน้ ผิวทรงกลมทีถ่ ูกครอบคลุมด้วยพืน้ ทีส่ มมติรปู ทรง กรวยทีม่ สี ว่ นแหลมของกรวยอยูท่ จ่ี ุดศูนย์กลางของทรงกลมนัน้ ๆ หรือ คืออัตราส่วนระหว่างพืน้ ทีผ่ วิ ส่วนทีพ่ จิ ารณา ของทรงกลมต่อรัศมีของทรงกลมนัน้ ๆ ยกกาลังสอง มีหน่วยเป็น สเตอเรเดียน (Steradian) Solid angle () = A / R2 โดยที่ A R
คือ พืน้ ทีผ่ วิ ทีพ่ จิ ารณาของทรงกลม คือ รัศมีของทรงกลม 2.6.3 ความเข้มแห่งการส่องสว่าง (Luminous Intensity) คือปริมาณแสงทีเ่ ปล่งออกจาก แหล่งกาเนิดแสงใน Solid angle ใดๆ ในทิศทางหนึ่งทิศทางใด บอกค่าความมากน้อยของพลังงาน หรือกาลังงานของแหล่งกาเนิดแสงใดๆ ในรูปของความเข้มแห่งการส่อง สว่าง (Luminous Intensity) หรือ กาลังส่องสว่าง (Candlepower) มีหน่วยเป็ น แคนเดลา (candela) หรือ ลูเมน ต่อสเตอเรเดียน (lumen per steradian) ใช้สาหรับการพิจารณาแหล่งกาเนิดแสงทีม่ ขี นาดเล็กมาก จนถือว่าเป็ นจุด (point source) หากพิจารณาโดยการนาแหล่งกาเนิดแสงทีเ่ ล็กมากจนเสมือนจุด และมีค่าความเข้มแห่งการส่องสว่าง สม่าเสมอทุกทิศทางเท่ากับ 1 แคนเดลา มาวางไว้ทจ่ี ุดศูนย์กลางของทรงกลมรัศมี 1 หน่วย ปริมาณแสงทีพ่ งุ่ ไปตก ลงบนทุกๆ หนึ่งตารางหน่วยพืน้ ทีบ่ นพืน้ ผิวของทรงกลมนี้จะมีคา่ เท่ากับ 1 ลูเมน (lumen) และเนื่องจากพืน้ ทีผ่ วิ ทัง้ หมดของทรงกลมรัศมี 1 หน่วยมีค่าเท่ากับ 12.57 ตารางหน่วยพืน้ ที่ ดังนัน้ จึงสามารถสรุปได้ว่า ความเข้มแห่งการส่องสว่าง 1 แคนเดลา สามารถเปล่งปริมาณเส้นแรงของแสงออกมาได้ เท่ากับ 12.57 ลู เมน
23
2.6.4 ความส่องสว่าง (Illuminace) เมื่อมีปริมาณแสงตกกระทบลงบน 1 หน่วยพืน้ ทีใ่ ดๆ ผลทีไ่ ด้คอื ความสว่าง มีหน่วยเป็ น ลูเมนต่อหนึ่งหน่วยพืน้ ที่ (lumen per unit of area) เช่นเดียวกับการพิจารณาแหล่งกาเนิด แสงในทรงกลม หากทรงกลมมีรศั มี 1 ฟุต ปริมาณแสง 1 ลูเมนทีพ่ ุ่งไปตกลงบนพืน้ ทีห่ นึ่งตารางฟุตของผิวทรงกลม ปริมาณความส่องสว่างทีเ่ กิดขึน้ จะมีค่าเท่ากับ 1 ลูเมนต่อตารางฟุต (footcandle) ในทานองเดียวกัน ถ้ารัศมีของ ทรงกลมมีค่าเท่ากับ 1 เมตร ปริมาณความส่องสว่างจะมีค่าเท่ากับ 1 ลูเมนต่อตารางเมตร หรือ 1 ลักซ์ (lux)
ภาพที่ 26 แสดงลักษณะของปริมาณแสง (Luminous flux) ทีม่ า : พิบลู ย์ ดิษฐอุดม, การออกแบบระบบแสงสว่าง. (2537) หน้า 13.
2.6.5 การส่องสว่าง (Illumination) ปริมาณแห่งการส่องสว่างบนพืน้ ทีผ่ วิ ใดๆ จะแปรผันโดยตรงกับ ความเข้มแห่งการส่องสว่างของแหล่งกาเนิดแสง และแปรผันผกผันกับค่าระยะทางยกกาลังสองระหว่างพืน้ ผิวนัน้ กับ แหล่งกาเนิดแสง และเรียกความสัมพันธ์น้วี ่า กฎกาลังสองผกผัน (Inverse square law) มีหน่วยเป็ น ลักซ์ หรือ ฟุต แคนเดิล มีสมการดังนี้
E = I / d2 โดยที่ E I ผิวที่ d ฟุต
คือปริมาณความส่องสว่างบนพืน้ ผิวทีพ่ จิ ารณา มีหน่วยเป็ น ลักซ์ (lx) หรือ ฟุตแคนเดิล (fc) คือความเข้มแห่งการส่องสว่างของแหล่งกาเนิดแสงในทิศทางทีพ่ ุ่งไปหาพืน้ ที่ พิจารณา มีหน่วยเป็ น แคนเดลา (cd) คือระยะทางระหว่างพืน้ ทีผ่ วิ ทีพ่ จิ ารณากับแหล่งกาเนิดแสง มีหน่วยเป็ น เมตรหรือ
ภาพที่ 27 แสดงการกระจายของฟลักซ์จะลดลงโดยแปรผกผันกับระยะทางยกกาลังสอง ที่มา : เรื่ องเดียวกัน, หน้า 15.
24
2.7 คุณสมบัติอื่นๆของแสง 2.7.1 ความจ้า (Brightness) หรือ ความสว่าง (Luminance) เมื่อแสงส่องกระทบวัตถุแล้วเกิด การสะท้อนหรือส่องผ่านของแสงจากวัตถุเข้าสูต่ า ทาให้เกิดการมองเห็นวัตถุนนั ้ แล้ว สายตายังรับรูค้ วามสว่าง หรือที่ เรียกว่า ความจ้าของวัตถุอกี ด้วย
ภาพที่ 28 แสดงความแตกต่างระหว่างการส่องสว่างกับความจ้า ทีม่ า : เรือ่ งเดียวกัน, หน้า 16.
ความจ้าหรือความสว่างของวัตถุทส่ี ายตารับรูข้ น้ึ อยู่กบั 2 องค์ประกอบหลักคือ ความสามารถใน การสะท้อน หรือส่องผ่านของแสงของวัตถุ ทาให้วตั ถุนนั ้ เปรียบเสมือนเป็ นแหล่งกาเนิดแสงที่ 2 (Secondary Light Source) และความสามารถในการปรับตัวของสายตา หากพิจารณาในเชิงปริมาณความจ้าทีเ่ กิดขึน้ ของวัตถุใดๆ จะ พิจารณาในรูปของ ปริมาณความเข้มของแสงทีเ่ ปล่งออกมาจากผิวของวัตถุต่อหน่วยพืน้ ที่ มีหน่วยเป็ น ฟุตแลมเบิรด์ (Footlambert) เขียนเป็ นสมการได้ดงั นี้ FL = Fc * p หรือ FL = Fc * t โดยที่ FL Fc P t
คือปริมาณความจ้า มีหน่วยเป็ น ฟุตแลมเบิรต์ คือปริมาณการส่องสว่าง มีหน่วยเป็ น ฟุตแคนเดิล คือค่าการสะท้อนแสงของวัตถุ (%) คือค่าการส่องผ่านของวัตถุ (%)
ตารางที่ 2 แสดงความจ้าสาหรับลักษณะของการเห็นในระดับต่างๆ ลักษณะของการมองเห็น ยากมากจริงๆ ยากมาก ยาก ธรรมดา ง่าย
ความจ้า (ฟุตแลมเบิรต์ ) 420 120-420 42-420 18-42 ต่ากว่า 18
2.7.2 ความเปรียบต่าง (Contrast) ความแตกต่างของจุดสังเกตกับสิง่ ทีอ่ ยู่รอบข้าง ยิง่ มีความ เปรียบต่างมากจะทาให้การมองเห็นง่ายขึน้ ในขณะทีค่ วามต้องการปริมาณแสงและเวลาในการรับภาพมีน้อยลง เช่น ตัวหนังสือดาบนกระดาษขาวย่อมเห็นได้ง่ายกว่าตัวหนังสือดาบนกระดาษเทา อย่างไรก็ตามความเปรียบต่างทีม่ าก
25
เกินไปจนสายตาเกิดการปรับตัวเป็ นผลให้สายตาไม่สามารถมองเห็นได้อย่างอิสระ หรือเกิดการระคายเคืองของ สายตา นัน้ คือการเกิดแสงบาดตา (Glare)
ภาพที่ 29 แสดงการเปรียบเทียบความแตกต่างระหว่างสีของตัวหนังสือกับกระดาษแบบต่างๆ กัน ทีม่ า : เรือ่ งเดียวกัน, หน้า 22.
ความเปรียบต่างสามารถกาหนดได้ดว้ ยอัตราส่วนของความแตกต่างระหว่างความสว่างของวัตถุ หรือจุดสังเกต และความสว่างของสภาพแวดล้อมทีอ่ ยู่รอบข้างอัตราส่วนยิง่ มีค่ามากก็ทาให้การมองเห็นชัดเจนขึน้ แต่ หากมากจนเกินไปก็จะทาให้เกิด Glare สามารถเขียนเป็ นสมการได้ดงั นี้ CONTRAST = (LB – LT) / LT โดยที่ LB LT
คือความสว่างของสภาพแวดล้อม คือความสว่างของวัตถุ
ภาพที่ 30 แสดงสมรรถนะในการมองเห็นเมื่ออยู่บนพืน้ งานทีม่ คี วามสามารถในการสะท้อนแสงทีต่ ่างกัน ทีม่ า : เรือ่ งเดียวกัน, หน้า 22.
2.7.3 สี (Color) แสงเป็นพลังงานทีเ่ คลื่อนทีไ่ ด้ (Radiant Energy) ชนิดหนึ่ง และเมื่อเรานาพลังงานที่ เคลื่อนทีไ่ ด้ทงั ้ หมดมาเรียงกัน โดยเริม่ ต้นพลังงานทีม่ คี วามยาวคลื่นสัน้ ทีส่ ดุ จนถึงพลังงานทีม่ คี วามยาวคลื่นยาว ทีส่ ดุ จะเห็นได้ว่าแสงเป็ นเพียงพลังงานแถบเล็กๆ แถบหนึ่งทีม่ ชี ่วงความยาวคลื่นอยู่ระหว่าง 380-760 นาโนเมตร เท่านัน้ ดังภาพที่ 2 และเป็ นช่วงทีต่ าเราสามารถรับความรูส้ กึ ได้ ในช่วงความยาวคลื่นดังกล่าวนี้ยงั ประกอบไป ด้วยแสงสีต่างๆ อีกมากมายซ้อนเรียงกันอยู่ตงั ้ แต่แสงสีมว่ ง, คราม, น้าเงิน, เขียว, เหลือง, แสด และแดง เมื่อเรา ฉายแสงสีขาวเข้าสูก่ อ้ งปริซมึ แสงสีต่างๆ ซึง่ ซ้อนอยูใ่ นแสงสีขาวนัน้ จะถูกแยกตัวออกมาให้เห็นได้ชดั เจน แสงสี ต่างๆเหล่านี้จะมีความยาวคลื่นเฉพาะตัวต่างๆ กันออกไปอย่างเช่น แสงทีม่ คี วามยาวคลื่นมากกว่า 610 นาโนเมตร ขึน้ ไป จะให้สขี องแสงออกมาเป็นสีแดง ส่วนแสงทีม่ คี วามยาวคลื่นอยู่ระหว่าง 440-500 นาโนเมตรจะให้แสงออกมา เป็ นสีน้าเงิน
26
สีของแสงใดทีม่ พี ลังงานสูงทีส่ ดุ จะมีผลให้แสงนัน้ ปรากฏออกมาเป็ นแสงสีดงั กล่าว ส่วนสีของวัตถุต่างๆ ที่ เราเห็น เกิดจากการทีว่ ตั ถุนนั ้ มีคุณสมบัตใิ นการดูดกลืนแสงสีอน่ื ไว้หมด และสะท้อนสีนนั ้ ๆออกมา เช่นเราเห็น แอปเปิ ลมีสแี ดงก็เพราะว่ามันดูดกลืนแสงทีม่ คี วามยาวคลื่นช่วงอื่นไว้หมด และสะท้อนแสงทีม่ คี วามยาวคลื่นอยู่ ระหว่าง 610-780 นาโนเมตร (Stein and Reynolds, 1992.) ซึง่ เป็ นแสงสีแดงออกมา กล่าวคือตาเราจะไม่สามารถ เห็นวัตถุออกมาเป็ นสีใดสีหนึ่งโดยเฉพาะ ถ้าไม่มพี ลังงานของแสงสีนนั ้ อยู่ในแหล่งกาเนิดแสงดังกล่าว อย่างไรก็ตาม วัตถุนนั ้ จะต้องมีคุณสมบัตใิ นการสะท้อนแสงสีนนั ้ ๆ ออกมาด้วย สีของวัตถุใดๆ อาจจะเพีย้ นไปจากเดิมได้ เช่น ผ้าสีขาวเมื่อฉายแสงสีเขียวลงไป ผ้าจะปรากฏเป็ นสีเขียว เนื่องจากมีแต่พลังงานของแสงสีเขียวเท่านัน้ ทีต่ กลงบนผ้า จึงมีเพียงแสงสีเขียวสะท้อนออกมาเข้าสูต่ าเรา หรือเมื่อ เราฉายแสงสีเขียวลงบนผ้าสีแดง สีทเ่ี ราเห็นจะออกคล้าไปทางสีดา เพราะว่าพลังงานของแสงสีแดงทีม่ อี ยูใ่ นแสงสี เขียวมีน้อยมาก ผ้าจึงไม่สะท้อนแสงสีแดงออกมาเหมือนฉายแสงสีขาวหรือสีแดงลงไป แม่สขี องแสง หรือสีปฐมภูมิ (Primary color) คือสีแดง สีเขียว และสีน้าเงิน ซึง่ ต่างจากแม่สใี นทางวิชา ศิลปะ แม่สขี องแสงทัง้ สามสีน้เี มื่อนามาผสมกัน (Additive) โดยการฉายแสงซ้อนกันลงไปเราจะได้แสงชุดทีส่ องขึน้ เรียกว่าสีทุตยิ ภูมิ (Secondary color) ดังรูปที่ 31
ภาพที่ 31 แสดงการผสมของแสงสีปฐมภูมิ ทีม่ า : เรือ่ งเดียวกัน, หน้า 18.
27