Individuální dynamické řízení osvětlení

Osvětlení tvoří významnou složku vnitřního prostředí a může výrazně přispět k spokojenosti, respektive nespokojenosti osob. S rostoucím potenciálem regulace osvětlení nabývá na významu možnost respektovat volbu uživatele a umožnit mu aktivně se podílet na řízení světelných podmínek podle vykonávané činnosti a jeho osobních preferencí. Článek naznačuje možnosti využití dynamického řízení osvětlení ke zvýšení spokojenosti uživatelů.

Cílem této studie bylo zjištění preferencí v dynamickém osvětlení při individuálním řízení a s možností dosažení energetických úspor v prostoru s denním světlem. Dynamika v této studii spočívala v proměnné intenzitě osvětlení a korelované teplotě chromatičnosti (CCT) v kombinaci s umělým a denním osvětlením.

Testované osoby vykonávaly jeden den kancelářskou práci v prostředí představujícím kancelář. Každou půlhodinu byli lidé vyzváni, aby použili tlumiče světla ke změně světelných podmínek podle jejich přání. Měřila se intenzita osvětlení, jas, CCT a spotřeba energie, spokojenost osob byla hodnocena dotazníky.

Intenzita osvětlení a její vliv na člověka
Intenzita osvětlení nás ovlivňuje rozličnými způsoby, její význam narůstá v situacích, kdy je nezbytné dodržení konkrétních světelných podmínek [1]. Tenner a kol. zjistil, že lidé mají jisté obtíže rozhodnout se, jaké jsou jejich preference týkající se osvětlení [2], Boyce a kol. ukázal, že určitá možnost individuálního řízení osvětlení vedla k udržení motivace a bdění u pracovníků v kanceláři během pracovního dne [3]. Výzkum Kneze a kol. vedl ke zjištění, že CCT umělého osvětlení může ovlivňovat náladu osob [4], [5]. Verderber a Leather doložili, že okna a výhled ven jsou pro nás důležité[6], [7]. Christofsen a kol. zjistil, že spokojenost s výhledem z kanceláře byla vyšší při výhledu na přírodní scenerie než při pohledu na krajinu tvořenou člověkem [8].

Kaplan doložil, že výhled z okna do venkovního prostředí ovlivňuje spokojenost a pocit pohody [9].
Kombinací poznatků, že lidé vnímají intenzitu osvětlení a CCT rozdílně a oceňují výhled do venkovního prostředí, dojdeme k závěru, že jistá míra individuálního řízení osvětlení je pro nás podstatná. Řízení osvětlení může být navíc využito k dosažení energetických úspor [10].

Hlavním cílem této studie bylo najít souvislost mezi těmito jednotlivými aspekty umožněním individuálního ovládání intenzity osvětlení a CCT za přispění denního světla a hodnocení spotřeby energie v průběhu experimentu. Hypotéza byla, že při zajištění denního světla spolu s umělým osvětlením bude dosaženo energetických úspor a že prvky regulace nebudou použity k udržení konstantní intenzity osvětlení na pracovním místě.

Testovací místnost
Experiment byl uskutečněn v laboratoři Institutu pro výzkum budov (SBI) v Dánsku (obr. 1). V laboratoři se nacházejí dvě identické sousedící testovací místnosti o rozměrech 3,5 × 6 × 3 m. Jedna místnost byla použita pro testování osob (místnost A), v druhé místnosti bylo zázemí pro měřicí přístroje a pomocná zařízení (místnost B). Fasáda je otočená na JJV (7° odkloněna od jihu) a prosklení zabírá 44 % stěny. Okna byla 3,5 m široká a 1,4 m vysoká, parapet byl ve výšce 0,78 m. Okna v obou kancelářích měla dvojité zasklení z běžného čirého skla s propustností světla 72 %. Bílé žaluzie (80 mm, typ RAL 9016) byly v obou místnostech simultánně ovládány tak, aby nedocházelo k oslnění. Měření probíhala v období od 20. 12. 2006 do 19. 3. 2007.

V každé místnosti bylo zařízení pouze pro jednu osobu – stůl umístěný kolmo k oknu se 17palcovým LCD monitorem. V tab. 1 jsou popsány použité materiály a jejich odrazivost. Osoby seděly přibližně 4 m od okna. Místnost B se lišila pouze přídavným fotometrickým měřicím zařízením a také umístěním pracovního stolu, který se nacházel v zadní části místnosti. Toto uspořádání umožnilo získat detailní informace o osvětlení.

Systém umělého osvětlení byl identický v obou kancelářích. Tvořily jej tři svítidla Philips Savio (266 × 1 259 mm), montovaná přímo do stropu. Každé svítidlo obsahovalo tři lampy ovládané elektronickým tlumením, které zajišťoval komerční regulátor MultiDim. Pro nastavení osvětlení měli lidé k dispozici dálkové ovládání umístěné na stole v místnosti A. Ovládáním z místnosti A bylo zároveň nastavováno i osvětlení v místnosti B. Rozdíl světelných podmínek v obou místnostech byl menší než 3 %.

Tab. 1: Materiály v testovací místnosti a jejich odrazivost

Popis měření
Umístění měřicích přístrojů v interiéru je znázorněno na obr. 1. Ve venkovním prostředí se měřila celková a difuzní složka osvětlení a jas v meteorologické stanici umístěné na střeše laboratoře. Spotřeba energie pro osvětlení, jas a CCT byly zaznamenávány 23krát za den, vždy okamžité poté, co osoby změnily podmínky osvětlení pomocí dálkového ovládání.

Vykonávaná kancelářská práce
Měření se účastnilo 50 osob (24 mužů, 26 žen), převážně studentů ve věku 20 až 35 let, jedna osoba byla ve věku 44 let. Všichni zúčastnění nahlásili běžný stav zraku, případně zrak korigovaný na normální vidění.

Každý den měření se experimentu zúčastnila pouze jedna z testujících osob. Lidé si s sebou přinesli vlastní práci, která zahrnovala běžné kancelářské úkony, jako čtení, psaní a práci na počítači.

Organizace měření
Měření začínala vždy mezi 8.45 a 9.15 hod. Testující osoba byla obeznámena se systémem osvětlení a regulací, byla vyplněna první část dotazníku. Před jejím příchodem bylo umělé osvětlení nastaveno na ~500 luxů na pracovním stole, CCT ~3 500 K. Osoba účastnící se měření byla obeznámena s tím, že regulovat osvětlení může pouze poté, co ji vyzve pracovník laboratoře; toto vyzvání přicházelo vždy po 30 minutách, první hned v 9.15.

Během měření byla pouze jedna přestávka, a to od 12.00 do 12.30 hod. Poslední možnost nastavit intenzitu osvětlení byla v 15.15 hod. Poté účastník vyplnil druhou část dotazníku, která zahrnovala otázky týkající se použití regulace osvětlení a spokojenosti s různými aspekty vnitřního prostředí.

Výsledky měření
Intenzita osvětlení
Lineární regrese nevysvětluje vztah mezi jednotlivými nastaveními osvětlení a tlumičem, neboť experiment zahrnuje také rozdíly mezi zúčastěnými osobami, ale dává představu o důležitosti jednotlivých parametrů. Výsledky tedy ukazují korelaci mezi nastavením tlumiče světla a intenzitou osvětlení stolu a monitorem.
Intenzita osvětlení měřená na stole je určena jako střední hodnota ze dvou horizontálních měření po obou stranách monitoru. Střední hodnota celkové intenzity osvětlení (od denního i umělého osvětlení) byla 926 luxů (směrodatná odchylka (SO) 538 luxů), kde umělé osvětlení dávalo 577 luxů (SO = 272 luxů). Během dne se celková intenzita osvětlení měnila v rozmezí od 129 do 5 625 luxů.

V tab. 2 je uvedená popisná statistika preferencí osvětlení pracovního stolu všech osob účastnících se experimentu. Tabulka ukazuje změny ve volbě intenzity osvětlení v závislosti na denní době a také odlišnosti mezi osobami. Data v pravé části tabulky týkající se umělého osvětlení naznačují tendenci tlumit osvětlení během dne při vyšší intenzitě denního světla (během poledne). Nicméně tato tendence nevedla k upřednostňování jedné hodnoty intenzity osvětlení v průběhu dne.

Tab. 2.: Volba intenzity osvětlení na pracovním stole měřená během dne (popisná statistika)

Poznámka: D + U = denní a umělé osvětlení, U = pouze umělé osvětlení, M = střední hodnota, SO = směrodatná odchylka, Med = medián

Korelovaná teplota chromatičnosti (CCT)
CCT byla měřena pod zorným úhlem 45° vůči oknu ve výšce oka sedící osoby (1,2 m nad podlahou). Při kombinaci denního a umělého osvětlení byla střední hodnota CCT 4543 K (SO = 449 K); střední hodnota CCT umělého osvětlení byla 3 917 K (SO = 494 K).

Výsledky v tab. 3 ukazují, že střední hodnota intenzity osvětlení je pro jednotlivé osoby v průběhu dne přibližně konstantní, avšak mezi jednotlivými osobami jsou podstatné rozdíly. Hodnoty naměřené CCT se sice pohybovaly od 3 086 do 6 325 K (denní i umělé osvětlení), ovšem téměř polovina zúčastněných osob si zvolila CCT v rozsahu od 4 300 do 4 900 K. V pravé části tabulky jsou uvedeny preferované volby CCT elektrického osvětlení, které ukazují, že střední hodnota je přibližně stejná, přičemž rozdíly mezi jednotlivými osobami jsou velmi výrazné. Měřené hodnoty pro umělé osvětlení se pohybovaly od 2 955 do 5 350 K; 66 % zvolených hodnot leželo v rozmezí od 3 400 do 4 300 K.

Tab. 3: Popisná statistika – volba CCT

Poznámka: D + U = denní a umělé osvětlení, U = pouze umělé osvětlení, M = střední hodnota, SO = směrodatná odchylka, Med = medián

Zajímavé zjištění přinesl rozbor výsledků preferované hodnoty CCT umělého osvětlení u jednotlivých osob. Ukázalo se, že u 36 % osob se nastavení CCT během dne měnilo v rozsahu 200 až 500 K, u 40 % v rozsahu 500 až 1 000 K a u zbývajících 24 % v rozsahu 1 000 až 1 700 K. Je však třeba mít na paměti, že při vyhodnocování významu těchto intervalů je třeba zohlednit vliv kombinování denního a umělého světla.

Volba osvětlení a CCT
Kruithofova křivka měřených hodnot denního a umělého osvětlení je na obr. 2. Volby osob jsou znázorněny barevnými hvězdičkami. Tenká křivka v grafu ukazuje kombinace, které mohou nastat při umělém osvětlení. Světelné prostředí je pociťováno jako příjemné v oblasti bílé, v levém horním rohu je pociťováno jako nepříjemné z důvodu nepřirozené reprodukce barev. Ve spodní, modré, části grafu by světelné podmínky měly na lidi působit jako nepříjemně tmavé a chladné prostředí [11].

Výsledky ukazují, že osoby měly tendenci volit kombinaci osvětlení a CCT, která by podle definice Kruithofovy křivky měla odpovídat příjemnému světelnému prostředí.    

Spotřeba energie
Průměrná spotřeba energie systému osvětlení se pohybovala mezi 4,8 a 26,2 W/m². Více energie bylo potřeba v ranních a odpoledních hodinách než v poledne vzhledem k přispění denního světla. Průměrná celková spotřeba energie za měřené období byla 12,5 W/m².

Diskuse a závěry
Cílem projektu bylo určit možnosti dynamického řízení osvětlení kancelářských prostor při zaměření na spokojenost osob a spotřebu energie. Studie popsané v literatuře dokládaly, že zvolená intenzita umělého osvětlení závisí na intenzitě denního světla a osobních preferencích, přičemž střední hodnota překračovala doporučené hodnoty (500 luxů pro danou činnost) [2]. V této studii nebylo ovládání osvětlení použito pro dosažení konstantní úrovně intenzity osvětlení na pracovní desce tak, jak v současnosti automatická regulace osvětlení často funguje.

Volba CCT závisela na osobních preferencích osob; 50 % testovaných osob si zvolilo možnost zůstat během celého dne v blízkém rozsahu k preferované hodnotě. Kombinace zvolené CCT a osvětlení ukazuje, že lidé měli tendenci upřednostňovat příjemné světelné podmínky podle definice Kruithofovy křivky. Nicméně používání této křivky při návrhu osvětlení nelze obecně doporučit, neboť křivka není testována pro současné typy zdrojů světla.

Studie ukazuje, že lidé mají tendenci upřednostňovat určitou hodnotu CCT, kterou do jisté míry udržují během dne. Oproti tomu intenzita osvětlení nebyla parametr, který by ovlivňoval jejich volbu v průběhu dne.
Výsledky dotazníků vypovídají o celkové spokojenosti osob se světelnými podmínkami v průběhu experimentu. Většina z nich shledala možnost nastavit si intenzitu osvětlení a také jeho barvu chromatičnosti (barevnou teplotu) jako velmi přínosnou a důležitou.

Otázka úspor energie však nebyla dořešena, touto otázkou se bude zabývat následující etapa výzkumu.

Teplota chromatičnosti zdroje osvětlení (někdy také označovaná jako barevná teplota) je teplota, která odpovídá teplotě absolutně černého tělesa vyzařujícího světlo stejné barvy (stejného spektrálního složení) jako tento zdroj. Uvádí se v Kelvinech (K). Jinak řečeno, světlo určité barevné teploty má barvu tepelného záření vydávaného černým tělesem zahřátým na tuto teplotu. Barvu vysílanou zdrojem téměř bílého světla lze označovat podle její korelované teploty chromatičnosti (CCT). Každý typ světelného zdroje má specifickou korelovanou teplotu chromatičnosti, která se měří ve stupních Kelvina a označuje se za teplou, střední, chladnou a studenou.

Ásta Logadóttir, M.Sc. a Jens Christoffersen, Ph.D.
Obrázky: archiv autorů

Autoři působí v Institutu pro výzkum budov, Univerzita Aalborg, Dánsko.

Literatura
1. Butler D. – Biner P. M.: Preferred Lighting Levels Variability Among Settings, Behaviors, and Individuals. In: Environment and Behavior, 1987, 19(6), 695–721.
2. Tenner A. D. – Begemann S. H. A. – van den Beld G. J.: Acceptance and Preference of Illuminaces in Offices. In: Proceedings of the 8th European Lighting Conference, Amsterdam. Lux Europa, 1997.
3. Boyce, P. R. – Veitch, J. A. – Newsham, G. R., Jones, C. C. – Heerwagen, J. – Myer, M. – Hunter, C. M.: Lighting Quality and Office Work: Two Field Simulation Experiments. In: Lighting Research and Technology, 2006, 38, 191–223.
4. Knez I. – Enmarker I.: Effects of Office Lighting on Mood and Cognitive Performance and a Gender Effect in Work-Related Judgment. In: Environment and Behavior, 30(4), 553–567.
5. Knez I. – Kers C.: Effects of Indoor Lighting, Gender, and Age on Mood and Cognitive Performance. In: Environment and Behavior, 1998, 32(6), 817–831.
6. Verderber S.: Dimensions of Persons – Window Transactions in the Hospital Environment. In: Environment and behavior, 1986, 18(4), 450–466.
7. Leather P. – Pyrgas M. – Beale D. – Lawrence C.: Windows in the Workplace: Sunlight, View and Occupational Stress. In: Environment and Behavior, 1998, 30(6), 739–762.
8. Christoffersen, J. – Petersen, E. – Johnson, K. – Valbjorn, O. – Hygge, S.: Windows and daylighting – a Post-Occupancy Evaluation of Offices. In: Statens Byggeforskningsinstitut SBi Report 318, 1999.
9. Kaplan R.: The Nature of the View from Home: Psychological Benefits. In: Environment and Behavior. 2001, 33(4), 507–542.
10. Roisin, B. – Bodart, M. – Deneyer, A. – D’ Herdt, P.: Lighting Energy Savings in Offices Using Different Control Systems and Their Real Consumption. In: Energy and Buildings, 2008, 4, 514–523.
11. Kruithof A. A.: Tubular Luminescence Lamps for General Illumination. In: Philips Technical Review, 1941, 6 (3) 65–96.

Příspěvek vznikl v rámci projektu ELFORSK-project 338-035 Energy Savings by Individual Dynamic Lighting Control. Autoři také děkují S. Traberg-Borupovi za jeho pomoc během měření.

Článek byl uveřejněn v časopisu TZB HAUSTECHNIK.