Ο φυσικός φωτισμός σαν πηγή ενέργειας

Τεχνικό άρθρο του Dr. H. Köster που δημοσιεύεται με επιμέλεια και μετάφραση της PLANECO – Dr. Γ. Μουστακίδης.

Καλά συστήματα φυσικού φωτισμού στο εσωτερικό ενός κτιρίου, πληρούν συγχρόνως πολλές διαφορετικές και αντιφατικές λειτουργίες. Προστατεύουν από υπερθέρμανση, ελαχιστοποιούν τη χρήση του τεχνητού φωτισμού και προσφέρουν πολύ καλή ορατότητα με ενεργή ηλιακή προστασία. Συστήματα φυσικού φωτός μπορούν να εξοικονομήσουν έως και 30% της συνολικής ενέργειας των δημοσίων κτιρίων.

Αν δει κανείς τις κατά μέσον όρο ενεργειακές ανάγκες κτιρίων, πχ στις ΗΠΑ, τότε συνάγεται ότι το μερίδιο του ηλεκτροφωτισμού ανέρχεται στο 32% της συνολικής κατανάλωσης ενέργειας – και αυτό κυρίως κατά τη διάρκεια της ημέρας! Η κατά αυτόν τον τρόπο παραχθείσα θερμότητα, που προέρχεται από τον ηλεκτροφωτισμό, επιβαρύνει την συνολική κατανάλωση ενέργειας μέσω της ενέργειας για ψύξη επιπλέον κατά 15%. Αυτό το παράδειγμα επιτρέπει την πρόγνωση, ότι μόνο από τη βελτίωση της χρήσης του φυσικού φωτισμού, μειώνεται η κατανάλωση ενέργειας κατά περίπου 25 έως 30%.

Παραδοσιακές στρατηγικές ηλιακής προστασίας
Οι παραδοσιακές τεχνικές ηλιακής προστασίας μειώνουν την εισροή θερμικής ενέργειας με σκούρους ή/και ανακλαστικούς υαλοπίνακες. Η πρόθεση είναι να μειωθεί το θερμικό φορτίο μέσω ανάκλασης ή/και απορρόφησης στην εξωτερική πρόσοψη. Ωστόσο, η συνολική κατανάλωση ενέργειας οδηγεί, λόγω της υψηλής χρήσης του ηλεκτροφωτισμού, σε ένα αρνητικό ισοζύγιο ενέργειας.

Όλα τα μέτρα ηλιακής προστασίας, που δεν διαθέτουν τρόπους ανάκλασης του φυσικού φωτός προς τον εσωτερικό χώρο, σπαταλούν το φυσικό απόθεμα φυσικού φωτός και το ακριβό ρεύμα για φωτισμό. Τα παραδοσιακά έγχρωμα εσωτερικά προϊόντα ηλιακής προστασίας δεν μπορούν επίσης να ικανοποιήσουν την απαίτηση μιας παθητικής ψύξης, επειδή η ακτινοβολία απορροφάται από τις περσίδες και μετατρέπεται σε θερμότητα. Αυτό ισχύει επίσης και για καθρεπτιζόμενα στόρια με γκρίζα πίσω όψη.

Η συνέπεια αυτών των πεπαλαιωμένων οικονομικών πολιτικών και προϊόντων στην πρωτογενή κατανάλωση ενέργειας και στις εκπομπές CO2 είναι γνωστή. Μια κιλοβατώρα ρεύματος από την πρίζα καταναλώνει περίπου 4 κιλοβατώρες πρωτογενούς ενέργειας. Μόνο περί το ένα τρίτο της πρωτογενούς ενέργειας μετατρέπεται σε παραδοσιακά εργοστάσια ηλεκτρικής ενέργειας, που χρησιμοποιούν άνθρακα ή πετρέλαιο, σε ρεύμα. Ένα τρίτο της παραγόμενης ενέργειας χάνεται κατά τη μεταφορά μέσω των δικτύων. Σε αναπτυσσόμενες οικονομίες, όπως οι ΗΠΑ, Ιαπωνία και Γερμανία, το 50% των όλων των εκπομπών CO2 οφείλονται σε αυτά τα εργοστάσια ηλεκτρικής ενέργειας.

Με την παραδοχή, σύμφωνα με τα σημερινά τεχνικά δεδομένα, ότι πολυώροφα κτίρια στην Ευρώπη έχουν υαλοπίνακες με θερμική προστασία και τιμή g περίπου στο 55% και επιπλέον μια εσωτερική ηλιακή προστασία, και συγκρίνοντας αυτά τα πετάσματα με τα Best-Practice πετάσματα βλέπουμε μια περαιτέρω μείωση της συνολικά απαιτούμενης ενέργειας για επιπλέον 50 έως 80% σε 8 έως 15%, ενώ συγχρόνως η μετάδοση του φωτός αυξάνεται κατά 100%. Ακόμα και μια μείωση της τιμής g για την ηλιακή υπερθέρμανση κατά 5 έως 10% είναι τεχνικά δυνατή. Αυτά τα ενεργειακά οφέλη επιτυγχάνονται πρωταρχικά μέσω της καθοδήγησης του φωτός με  ανακλαστικές επιφάνειες όπως και επιπροσθέτως δια της ειδικής κατασκευής πετάσματος με διπλή υάλωση.

Συστήματα καθοδήγησης (ανακατεύθυνσης-ανάκλασης) φωτός
Κατά την ανάπτυξη όλων των συστημάτων καθοδήγησης φωτός πρόκειται πάντα για τον ορισμό της σχέσης με τον ήλιο ως εχθρό ή φίλο σε διαφορετικά κλίματα και κουλτούρες. Ποιο ποσοστό της ακτινοβολούμενης ενέργειας πρέπει να ανακλαστεί πίσω προς τον ουρανό προς όφελος μιας παθητικής ψύξης του κτιρίου; Ποιο ποσοστό πρέπει να κατευθυνθεί προς τον εσωτερικό χώρο για τη βελτίωση του φυσικού φωτισμού; Ποιο ποσοστό πρέπει να χρησιμοποιηθεί ως συνεισφορά στη θέρμανση και πότε;

Οι ακόλουθες παρατηρήσεις σε στόρια οδηγούν στην ανάπτυξη έξυπνων φυλλαρακιών καθοδήγησης φωτός: ανάλογα την απόσταση των φυλλαρακιών μεταξύ τους σε μία οριζόντια ψάθα, ο ήλιος «πέφτει» μόνο στο προς τον εξωτερικό χώρο προσανατολισμένο τμήμα του φυλλαρακιού. Γι’ αυτό λοιπόν είναι σκόπιμο τα φυλλαράκια του στοριού να χωριστούν σε δύο διαφορετικά οπτικά προσανατολισμένα τμήματα για κάθε φυλλαράκι. Το πρώτο μισό για την ανάκλαση του υψηλού (κάθετου) ήλιου προς τα έξω (παθητική ψύξη κτιρίου), και το δεύτερο μισό για την ανάκλαση του φωτός προς τον εσωτερικό χώρο σε χαμηλό ήλιο (βελτιωμένος φωτισμός χώρου). Για το χρήστη βασική απαίτηση από το πέτασμα είναι εκτός του καλού φωτισμού και της μειωμένης θερμικής ακτινοβολίας ιδιαιτέρως και η καλή ορατότητα. Ο χρήστης θέλει να βλέπει από το παράθυρο έξω.

Για την επιπλέον βελτίωση αφενός της καλής ορατότητας μιας ψάθας με περσίδες  και αφετέρου της μετάδοσης του φωτός, μπορεί το πρώτο αντανακλαστικό τμήμα του φυλλαρακιού να διαμορφωθεί σε μορφή W. Η ορατότητα για τέτοιες περσίδες φτάνει το 74% με σύγχρονη ανάκλαση του υψηλού καλοκαιρινού ήλιου προς τα έξω. Στο κάτω και πάνω μέρος της ψάθας τα δεύτερα ήμισυ των φυλλαρακιών που λειτουργούν ως βοηθήματα φωτισμού, έχουν διαφορετικό προσανατολισμό. Στο κάτω μέρος είναι πιο κάθετα, στο πάνω μέρος πιο οριζόντια, ώστε επάνω να υπάρχει βελτίωση του φωτισμού προς το βάθος του χώρου και κάτω να κατευθύνεται το φως προς το ταβάνι.  Έτσι ο χώρος εργασίας είναι παρά την ανάκλαση του φωτός προς τον εσωτερικό χώρο, χωρίς ενοχλητικές εκτυφλωτικές αντανακλάσεις. Αυτά τα φυλλαράκια επίσης χρησιμοποιούνται για την τοποθέτηση εντός των μονωτικών υαλοπινάκων με πλάτος 20 χιλιοστών. Σε αυτή την περίπτωση το πρώτο τμήμα έχει μορφή V. Η μορφή V σταθεροποιεί το φυλλαράκι και εμποδίζει το λύγισμα (παραμόρφωση).

Εκτός από αυτές τις σύνθετες  μακροδομημένες  γεωμετρίες, υπάρχουν στην αγορά και μικροδομημένα συστήματα περσίδων. Σε αυτή την περίπτωση ένα κοίλο/κυρτό φυλλαράκι πρεσάρεται σε μορφή καθρέφτη Fresnell. Τα φυλλαράκια «καθρέφτης» ανακλούν τον ήλιο πίσω προς τον ουρανό, παρά την ανοικτή-οριζόντια θέση τους, και προστατεύουν το χώρο από την υπερθέρμανση. Ως επακόλουθο των ανοικτών περσίδων μπορεί το διάχυτο φως να εισέρθει προς όφελος καλύτερου φωτισμού του χώρου και συγχρόνως έχουμε ορατότητα πάνω από 80%.

Όλες οι ανακλαστικές περσίδες μπορούν να τοποθετηθούν και με διαφορετική γωνία ανάκλασης σε γυάλινες οροφές. Σε αυτήν την περίπτωση οι περσίδες τοποθετούνται κατά προτίμηση εντός του μονωτικού υαλοπίνακα σταθερά και υπό προϋπολογισμένη γωνία. Υπάρχει όμως και δυνατότητα ανοιγόμενης και περιστρεφόμενης έκδοσης.

Κριτήρια ποιότητας και διασφάλιση ποιότητας
Η αποτελεσματικότητα ενός συστήματος ηλιακής προστασίας καθορίζεται με το συντελεστή ελαχιστοποίησης F_C, σύμφωνα με το ευρωπαϊκό πρότυπο. Η συνολική μετάδοση ενέργειας ενός υαλοπετάσματος υπολογίζεται βάσει της εξίσωσης:

g_Σ = F_C x g_γυαλί
g_Σ – συνολική μετάδοση μέσω τζαμιού συμπεριλαμβανομένης της ηλιακής προστασίας
g_γυαλί – συντελεστής g υάλωσης
F_C – συντελεστής ελαχιστοποίησης

Ένα παράθυρο όμως εξυπηρετεί κυρίως στο φωτισμό κατά την ημέρα. Επίσης την ορατότητα και γενικά την οπτική άνεση. Καλοί συντελεστές g επιτυγχάνονται εύκολα με εντελώς κλειστή ηλιακή προστασία. Αυτό ισχύει ιδιαιτέρως για τις συνήθεις περσίδες με καθρεπτιζόμενες κοίλες ή κυρτές επιφάνειες φυλλαρακιών. Ο χρήστης θέλει όμως να μπορεί να βλέπει έξω από το παράθυρο και επιθυμεί άπλετο ηλιακό φως. Έτσι ανοίγει την περσίδα. Το κτίριο υπερθερμαίνεται ή μέσω του τεχνητού φωτισμού ή λόγω της  ανυπολόγιστης εισροής ενέργειας.

Η τιμή g_Σ πρέπει λοιπόν να διαφοροποιείται μέσω επιπρόσθετων δεδομένων της μετάδοσης φωτός, της δευτερεύουσας μετάδοσης της θερμότητας και της ορατότητας. Παρά την ίδια αριθμητική τιμή του συντελεστή g, μπορούν διαφορετικά συστήματα να εμφανίσουν εντελώς διαφορετικές ιδιότητες στην πράξη, αν η συνολική ενέργεια το καλοκαίρι εισάγεται μόνο μέσω της θερμικής ακτινοβολίας αντί μέσω της ακτινοβολίας φωτός στον εσωτερικό χώρο.  Ένα σύστημα το οποίο εισφέρει βασικά φως αντί για θερμότητα στον εσωτερικό χώρο, πρέπει να αξιολογείται αντίθετα ως πολύ καλό. Οι τιμές του g πρέπει να συμπληρωθούν είτε με έναν συντελεστή συγχρονισμού της μετάδοσης φωτός, είτε να διαφοροποιηθούν ως συνολική τιμή της μετάδοσης ενέργειας για βραχέα και μακρά κύματα φωτός.

Επιπρόσθετα πρέπει να ληφθεί υπόψη επιπλέον ένας τρίτος συντελεστής της οπτικής μετάδοσης μεταξύ των φυλλαρακίων σε  ποσοστό οριζόντιας κατεύθυνσης ορατότητας, στην κλίμακα αξιολόγησης του συστήματος φυσικού φωτισμού. Η ορατότητα έχει τη μεγαλύτερη αξία για τις ομάδες των χρηστών στη σκάλα αξιολόγησης των συστημάτων καθοδήγησης του φωτός.

Ρύθμιση της εισερχόμενης ηλιακής ακτινοβολίας
Συστήματα μονής δράσης πραγματοποιούν αλλαγή κατεύθυνσης της επιπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας μέσω της επάνω επιφάνειας του φυλλαρακιού προς τα μέσα ή και προς τα έξω χωρίς να δημιουργείται το φαινόμενο «πινγκ-πονγκ» μεταξύ των φυλλαρακιών. Μονοανακλαστικά συστήματα ρυθμίζονται εύκολα, ως προς τις φωτοτεχνικές τους ιδιότητες, και η θερμική τους συμπεριφορά υπολογίζεται με ακρίβεια.

Η έννοια Retro» σημαίνει συστήματα ανάκλασης φωτός με τα οποία η ηλιακή ακτινοβολία ανακλάται πίσω προς τον ουρανό. Μόνο με τέτοια συστήματα μπορεί να αποφευχθεί η υπερθέρμανση του χώρου των δρόμων. Η αυτόματη αναδιεύθυνση των περσίδων επιτυγχάνεται από το σχήμα τους χωρίς να χρειάζεται μονίμως να αλλάζει η καθοδήγησή τους με άλλους τρόπους.  Το καλοκαίρι η πλεονάζουσα ηλιακή ενέργεια εξοστρακίζεται και τον χειμώνα χρησιμοποιείται.

Ενσωμάτωση
Παραδοσιακά τα πλάνα φωτισμού των κτιρίων αφορούν τη νύχτα. Έως σήμερα κυριαρχεί η παραδοχή του ομοιόμορφου φωτισμού των χώρων ως πρώτη προτεραιότητα και κριτήριο ενός καλού σχεδιασμού φωτισμού. Οι θέσεις εργασίας προσανατολίζονται όμως προς τον φυσικό φωτισμό, κοντά σε παράθυρα. Ακριβώς λόγω αυτής της παρατήρησης απαιτείται αλλαγή στο σχεδιασμό του τεχνητού φωτισμού. Ο τεχνητός φωτισμός θα πρέπει, όπως και ο φυσικός, να ρέει από τα παράθυρα προς τον χώρο.

Το σκεπτικό είναι ο τεχνητός φωτισμός να ενσωματωθεί με το φυσικό και όπου αυτός είναι αδύναμος να ενισχύεται με τον τεχνητό. Έξυπνα ανακλαστικά συστήματα φυσικού φωτισμού εξυπηρετούν ταυτόχρονα στην ανάκλαση του τεχνητού φωτός προς τον εσωτερικό χώρο. Προς αποφυγή έντονων φαινομένων αντανάκλασης του ηλιακού φωτός, είναι απαραίτητες περσίδες ανάκλασης φυσικού φωτός, που να ανακλούν το απευθείας έντονο φως προς το βάθος του δωματίου ή προς την οροφή. Μια ανακλαστική οροφή μπορεί με τον ίδιο τρόπο να ανακλά το φυσικό φως προς το εσωτερικό. Οι ανακλαστικές οροφές πρέπει να σχεδιαστούν προσεκτικά προς αποφυγή των έντονων φαινομένων αντανάκλασης.

Πηγή: www.koester–lichtplanung.de