Dagslys transportsystemer med bevist effektivitet

Dagslys transportsystemer med bevist effektivitet for høye breddegrader

Skrevet av Biljana Obradovic, Nærings PhD kandidat, Norconsult AS

Figur 1. Prinsipp for dagslysdesign med ulike typer dagslys transportsystemer i en kompakt bygningskropp

Dagslys transportsystemer (DTS) refererer til systemer som transporterer lyset en lengre avstand inn fra fasaden og fordeler det til fjerntliggende rom eller områder. De første ideene om dagslystransport i bygninger var ikke initiert av kun energikrisen på 70-tallet, slik som generelt oppfattet, men ble utløst av behovet for billig og rask gjenoppbygging i etterkrigstiden. Store behov for tak over hodet i hele verden krevde økonomiske bygninger, med kompakt bygningskropp, og med så mange rom som mulig. Hovedmålet med økt bruk av naturlig lys for belysning var da primært for å imøtekomme menneskets helse og velvære, og etter det for en øket etterspørsel etter energieffektivitet og reduksjon av CO2-utslipp. Biljana som er ansatt i Norconsult tar en Nærings Phd innen dette feltet under veiledning av professor Barbara Szybinska Matusiak ved Institutt for Arkitektur og Teknologi ved NTNU. Forskningen er delvis støttet av NFR

Helt siden antikken har solen blitt sett på som viktigste kilde til å belyse og varme opp husene. Med tiden har utviklingen i samfunnet rettet fokuset mot pragmatisme, og nye teknologiske oppfinnelser har skygget solens essensielle rolle som en primær designfaktor i byggefaget. Solenergien består av lys og varme. Sollys er det direkte lyset som kommer fra solen, mens dagslys er sollys som går gjennom eller er reflektert av skyene eller andre luftpartikler.

Det finnes to måter å få dagslys inn i et bygg. Den mest vanligste måten er gjennom vinduer i fasaden, som da bringer dagslyset inn ca. 6 meter fra veggen. En annen måte å slippe dagslyset inn på, avhengig av byggets takkonstruksjon, er å ha lys ovenfra, i form av takvindu, lyssjakt eller vinduskuppel. Da er det som regel kun de øverste etasjene i et bygg som får nytte av dette overlyset. De siste 30 årene har studier og praksis vist flere fordeler ved bruk av dagslys transportsystemer. I områder med overveiende overskyet himmel, kan dagslys transportsystemer øke brukbarhet av dagslys, mens de i områder med solfylt klar himmel kan hindre direkte sollys og utnytte det til brukbart dagslys. I bygninger med utvendig skjerming eller hindring av vinduer, eller der det er begrenset syn på himmelen, kan slike systemer forbedre dagslystilskudd. Derfor er det dype landskapskontorer, korridorer, trapperom eller andre kjernearealer, som krever belysning på dagstid, som kan dra nytte av transportsystemer for dagslys.

Viktigheten av bruk av et DTS kommer som et faktum at kunstig belysning kan bruke kun elektrisk energi, mens alle de andre tekniske systemer kan bruke noen av de alternative kilder som kan være naturlige og fornybare. Elektrisk energi til belysning som genereres via solcelle (PV) kan ikke forutsettes som ‘’ fornybar kilde’’, på grunn av at PV kun er en omformer av sollyset til energi, med meget høyt CO2 utslipp.

DTS gir dagslystilskudd også når lave solvinkler styrer visuell og termisk komfort. Studier som tar for seg visuell komfort i kontorbygg viser at brukere setter stor pris på manuell kontroll av solavskjerming. Brukerstyrt solskjerming er ofte årsaken til radikal reduksjon av dagslystilskuddet i løpet av dagen. Dagslysbidrag gjennom vinduet er i disse tilfellene veldig avhengig av værforhold og enkeltbrukerens preferanser. DTS gir mulighet for å levere dagslys inn i rommet, helt uavhengig av solskjerming, og kan gjøre dagslys tilstedeværelse innendørs mer pålitelig. Langvarig tilgjengelighet av dagslys innendørs kan redusere energibehovet til kunstig belysning. Human circadian system kan få nytte av det, siden så lite som 50 lux naturlig lys antas å ha betydning for en følelse av dagslys tilstedeværelse.

Dagslys transportsystemer består av tre komponenter: a) en lyssamler, som samler det direkte eller diffuse lyset; b) et lys-transporterende element, som frakter lyset gjennom seg; og c) en lysfordeler som trekker ut lyset og leverer det inn i rommet. Figur 2. viser de tre nevnte komponenter og alle de så langt utviklede komponenttyper som virker etter et visst lysoptisk prinsipp.

Lyssamlere kan være passive eller aktive, og de omdirigerer eller konsentrerer lys avhengig av type lys-transport elementet de er knyttet til. Passive samlere tar mye mindre av dagslyset enn aktive samlere, noe som betyr at en aktiv samler kan betjene et større område enn en passiv samler. Passive samlere er statiske og de antas som rimeligere i både drift og vedlikehold enn aktive motordrevne samlere, men selve utformingen av en passiv samler er mer krevende siden designet skal tilpasses for mikroklimatiske solforhold.

Figur 3. Prinsipp for implementering av vertikale DTS i et industribygg eller lav og kompakt bygningskropp

Anidolisk samler er et eksempel på en passiv samler, med form designet for å samle diffus lys fra topphimmelen og sollys fra overveiende innfallsvinkler. Det har blitt bevist at energisparingspotensialet for overskyet himmel, ved bruk av anidolisk samler ligger på min 25%. Noe som gjør den egnet for universell anvendelse i alle mikroklimatiske solforhold.

Laser-cut paneler (LCP), kjent siden 1990-tallet, har blitt brukt for å øke lystransmisjon av både det direkte og diffuse lyset. Lys-samlings av LCP virker etter et optisk prinsipp kalt ‘’lys-defleksjon’’, hvor lysets innfallsvinkel mot en LCP plate kan omdirigeres til den ønskede vinkelen, noe som gir økning i det totale lysets transmisjon.

Det finnes mange flere passive samlere, slik som statisk, luminescent og fluorescent, men de har vist lav oppsamlingseffektivitet og de behøver store overflater for å kunne brukes med en forventet effektivitet. Med fordelen i deres flate form, kan de, enda i store overflater plasseres på et tak, eller kan implementeres i fasade, slik at de ikke bryter med bygningens estetiske konsept.

Med forskjell til passive samlere, bruker aktive samlere elektrisk energi til å spore den høyeste lysstyrken og tilpasse posisjon til den høyeste samleeffektiviteten. Heliostatiske speil, Fresnell linse, parabolsk eller hyperbolisk samler konsentrerer nesten utelukkende direkte lys. Aktive samlere er ikke anbefalt som eneste DTS strategien til en hovedsakelig overskyet himmel, men kan i alle solfylte dager brukes som et utfyllende dagslys system.

Lys-transporterende elementer som rør med innvendige prismer eller speil, enten vertikalt eller horisontalt plassert, krever en fysisk plass og har derfor blitt sett som styrende for annet teknisk utstyr og bygningskonstruksjon. Speilrør er kanskje den mest brukbare element i hele verden så langt, siden den viser høy transmisjonseffektivitet for både det direkte og diffuse lyset. Figur 3 og 4. viser prinsipper for flere mulige oppsett av både horisontale og vertikale dagslysrør i et bygningskropp. Et annet lystransporterende element som er i bruk med stor suksess er fiberoptiske kabler. Siden de har en liten diameter og i tillegg er fleksible kan de trekkes inn i bygninger uten stort plassbehov. Siden fiberoptiske kabler virker med det fokuserte direkte lyset, frakter de sterkere lysstyrke, og kan derfor trekkes over en mye lengre avstand fra samlerpunktet enn lysrør kan. Fiberoptiske kabler mest brukt er laget av plast, men det finnes også silika- og væskebaserte fibre. Optiske stenger (Optical rods) er en annen form for fiberoptikk med mye større diameter og dermed lavere fleksibilitet. De har vist betydelig lysoverføringseffektivitet for både direkte og diffust lys.

Lys-konvergerende system, med speil og linser, er også kjent som dagslys transportsystem. Store kostnader og lite lystransmisjonseffektivitet har gjort at denne type DTS ikke har blitt utviklet som et kommersielt system til innendørs bruk. Den siste komponenten i en DTS er en lysfordeler. En lysfordeler kan være laget av polykarbonat, akryl eller glass, og kan være gjennomsiktig, satinert, prismatisk, eller i form av Fresnell-linse. Lysfordelere er produsert i armaturlignende form, noe som sterkt påvirker brukerens meninger om det leverte dagslyset. Integrasjon mellom dagslys som er levert gjennom en DTS og elektrisk belysning er et essensielt, men helt oversett tema. Praksisen for design og implementering av DTS har sett behovet for mer forskning innenfor lysstyring av elektrisk belysning for en vellykket integrasjon med dagslyset.

Det er mange kommersielle DTS på markedet. Helt siden første forskningen på dette feltet har det dukket opp patenter og produkter sammensatt av de overnevnte komponenter. Figur 2 viser hvordan komponentene kan settes sammen etter sine lysoptiske egenskaper. Solrør, eller også kalt dagslysrør, er produsert og

Figur 4. Prinsipper for implementering av horisontal DTS i fleretasjes bygg

implementert mye verden rundt, men det er dessverre kun et fåtall eksempler i Norge så langt. De mest kjente produsentene av dagslysrør er Solatube, Monodraught, SolarSpot, LightWay og Velux. Fiberoptiske dagslysanlegg, med aktiv eller passiv solsporing, ble patentert og produsert av mange produsenter, men det mest kjente er svenske Parans og japanske Himawari. En del av de kommersielle DTS kaller seg også hybride DTS, på grunn av at de kombinerer naturlig lys med en elektrisk lyskilde. Tanken med det hybride versjonen var primært å kunne tilby et produkt som reduserer kostnadene for det totale belysningskonseptet i et bygg, men også for å ha bedre lysstyring. Ulempen med hybride DTS er at det velgjørende psykologiske følelsen for at dagslys er til stede i et rom forsvinner.

Studier av DTS viste at det finnes en betydelig energisparepotensial for elektrisk belysning for områder rundt 60° breddegrader. Passive DTS, som refererer til diffust lys og overskyet himmel viser 35% sparepotensial, mens aktive DTS, som refererer til sollys og klar himmel viser 20% sparepotensial. Energisparing er primært avhengig av lysstyringssystemet som er egnet for de overveiende dagslysforholdene. Mange studier har vist at direkte lys skal kombineres med av-kontroll, mens diffust lys skal kombineres med dimming for å oppnå størst energisparing.

Denne artikkelen er en forkortet versjon av oversiktsartikkelen «Daylight Transport Systems for Buildings at High Latitudes», doi:10.15627/jd.2019.8. Originalen har meget lang liste med referanser kan lastes ned fra websiden Journal of Daylighting, http://solarlits.com/jd/6-60»http://solarlits.com/jd/6-60

Prosjektet er støttet av

ID40 LED Høyeffektiv Industri armatur med enkel montasje og tilkobling. Smal, middel og bred- strålende lysfordeling. Robust industrifor kobling med og uten DALI.

L80 100 000timer (18000lm 80 000timer) Kan leveres med div hurtig koblinger.

Humid LED Allround IP44 armatur D merket Fleksibel montasje. Varianter med sensor, DALI, korridorfunksjon

L80 70 000timer (8500lm 65 000time)

Kontaktinformation: Sted: Asker Telefon: +47 4790 6452 erik.korslund@nokalux.no