קרינת השמש ומערכות הצללה: אנליזה למערכות הצללה

1. מבוא

בספטמבר 2017, פירסם בית הספר לרפואה של אוניברסיטת הרווארד את תשע היסודות לבניין בריא, לאחר מחקר עמוק ומקיף אשר תחילתו בשנות ה-80 של המאה הקודמת. מחקר זה הראה את השפעת חוסר הנוחות התרמית וחוסר הנוחות הוויזואלית בהקשרי בריאות, קוגניציה ופרודוקציה על עובדים ומשתכנים, וכמובן את ההשפעה על ניהול משק אנרגיה נבון ונכון יותר.

התשובות לפגמים אלו מצויות בשימוש נבון במערכות הצללה, המנוהלות נכון ובאופן אוטומטי וכנגזרת מנוחות המשתמש.

השמש הינה הגורם המשפיע הגדול ביותר עלינו ועל סביבתנו, והצללה סולארית נכונה תדע לנווט את השפעת השמש באופן מיטבי. הצללה סולארית חכמה היא חדשנות אשר תעלה את טכנולוגיית המעטפת שלנו לשלב הבא.

הצללה סולארית היא מונח גנרי המשמש לכיסוי כל האמצעים הפאסיביים המגבילים כניסה של קרינה סולארית, החל מצל עצים, סוככים קבועים ועד לווילונות ותריסים ממוכנים (אוטומטיים) לחלוטין. הצורך במערכות הצללה דחפה יצרנים להמציא אריגים וחומרים חדשניים בעלי ערכים משופרים הקשורים לתכונות נוחות תרמית לדחיית חום ו/או שימור חום, כולל מגוון רחב של תכונות נוחות חזותיות וניהול הכנסת אור יום במהלך היממה. זאת כדי למטב את בקרת הבוהק ועל מנת לכסות את צרכיהם של שטחים מזוגגים גדולים ואלו החיים מאחוריהם.

מאמר זה מושתת בעיקרו על נתונים אשר הובאו על ידי האגודה האירופאית להצללה – ESSO, וכל זאת תוך הישענות הדוקה על הוראות התקנים האירופים הרלוונטיים למבחנים אנרגטיים מכל סוג שהוא. על מנת לעשות את הבחירה הנכונה במונחים של נוחות תרמית וויזואלית, יש להישען על המידע הבסיסי המובא במאמר זה. מידע זה מאפשר להבין כיצד מוערכים מאפייני ההצללות למיניהם ומהן התכונות הפיסיות הכרוכות בהעברת הקרינה ובחסימתה. אופני ביצוע האנליזות מבוססים בעיקר על שיטת חישוב המסופקת על ידי התקנים האירופים. במאמר זה מופיעות מספר סימולציות המדגימות את השפעתן של ההצללות על עומסי האנרגיה.

מאמר זה תורגם על ידי קבוצת אלומיניום קונסטרקשין המתמחה במחקר, פיתוח, הנדסה, תכנון, ייצור, התקנת ואחזקה של מעטפות מגדלים, אשר תכליתן לשפר את הקוגניציה, הפרודוקציה ותחושת הbeing- well של מי שמאכלסים את המגדלים.

פעילות הקבוצה ממוקדת בפיתוח מערכות מעטפת מגדלים מתקדמות, המשלבות מערכות בקרה ובינה מלאכותית, מאפשרות לשוהים במבנים נוחות תרמית, ויזואלית, אקוסטית וקונסטרוקטיבית, ומבטיחות את איכות האוויר ואת שחלופו התדיר.

מערכות הצללה הינן נדבך מרכזי במערכות המעטפת אותן מפתחת הקבוצה, וחומר זה נועד בראש ובראשונה לשמש את הצוותים הטכניים וההנדסיים של חברות הקבוצה.

                            רמי בונה

                               נשיא ומהנדס ראשי

                                    קבוצת אלומיניום קונסטרקשין

 

 

 

 

 

2. עקרונות בסיסיים

פרק זה מציג מספר אלמנטים בסיסיים של סוגי הקרינה השונים, בהם יש להתחשב כאשר מדובר בביצועיהם של התקני הגנה סולארית בנוגע למיקום השמש. כמו-כן, הפרק מראה כיצד חומר מסוים מתנהג כאשר הוא מושפע מקרינה מעין זו.

2.1 סוגי קרינה שונים

אנשים חשופים למגוון רחב של סוגי קרינה, אשר יכולים להיות טבעיים או מלאכותיים. קרינה הינה בעלת אורכי גל הנבדלים זה מזה.

 

התקן הגנה סולארית עוסק בשני סוגי קרינה:

• קרינה סולארית עם אורך גל הנע בין 250 ננומטר ל-2,500 ננומטר, בעל חלוקה משנית לשלושה חלקים: אולטרה-סגול וכן גלי אינפרה-אדום קצרים וכאלו הגלויים לעין. קרינה זו נפלטת על-ידי השמש (ראה את 2.2).
• גל אינפרה-אדום ארוך עם אורך גל הנע בין 2,500 ננומטר ל-100,000 ננומטר, הנובע מגובה הטמפרטורה של חומר מסוים (לדוגמה – תנור חימום או כל משטח חמים אחר). קרינה זו ממוקמת בתוך תחום האינפרה-אדום הנמצא בטווח הבלתי נראה (ראה את 2.4).

2.2 קרינה סולארית

השמש מייצרת כמות עצומה של אנרגיה (66 מיליון וואט למטר רבוע), המועברת לכדור הארץ על ידי קרינה. רק חלקיק מאנרגיה זו מגיע לאטמוספירה, בסביבות 1,300 וואט למטר רבוע). כ-15% מקרינה זו נספג על ידי האטמוספירה ונפלט לכל הכיוונים בצורת קרינה מפוזרת.

בסביבות 6% מהקרינה משתקפת חזרה אל החלל וכ- 79% ממנה מועברים מיידית לקרקע דרך האטמוספירה.

כתוצאה מכך, אנרגיית הקרינה הסולארית הפוגעת בקרקע הרבה יותר נמוכה מזו המגיעה לאטמוספירה. באופן כללי, נהוג לחשוב שהאנרגיה המגיעה לקרקע כאשר השמיים כחולים ובהירים הינה בסביבות 1,000 וואט למטר רבוע.

לפיכך, כאשר מביאים בחשבון התקן הגנה סולארית, יש לחלק את הקרינה הסולארית הפוגעת הכוללת לשלושה חלקים (ראה את איור 2):

• קרינה ישירה, שהיא הקרינה הסולארית שאינה נספגת או משתקפת חזרה על ידי האטמוספירה (בסביבות 85%)

• קרינה מפוזרת, המהווה את חלק הקרינה הסולארית הנספג על ידי האטמוספירה ונפלט לכל הכיוונים (בסביבות 15%)
• קרינה המשתקפת חזרה, המתאימה להשתקפות המשולבת של הקרינה הישירה והקרינה המפוזרת מהקרקע.

הקרינה הסולארית מקובצת לשלושה חלקים עיקריים היוצרים את הספקטרום הסולארי:

• אולטרה–סגול (UV): בין 250 ננומטר ל- 380 ננומטר, הקרניים הללו הינן בלתי נראות לעיני אדם והן עלולות להיות מסוכנות במקרה של חשיפת יתר. הן גורמות להזדקנות של חומרים ומזיקות למשטחים ולצבעים.
• גלויה לעין (Visible): בין 380 ננומטר (סגול) ל- 780 ננומטר (אדום), קרניים אלו מתגלות על-ידי רשתית העין והן מאפשרות ראיית צורות, תבליטים וצבעים.
• אינפרא-אדום גל קצר (Short Wave Infrared): בין 780 ננומטר ל-2,500 ננומטר. הקרניים הללו הינן בלתי נראות, אך הן מורגשות כחום.

 

"כח" הקרינה מיוצג על-ידי עוצמת ההקרנה שלה (בוואט למטר רבוע – W/m2). בהינתן אורך גל, הוא נקרא עוצמת הקרנה ספקטרית (בוואט למטר רבוע. ננומטר –  W/m2.nm). איור 3 מציג את התפלגות עוצמת ההקרנה הספקטרית של הספקטרום הסולארי בגובה פני הים.

 

 

2.3 השפעת מיקום השמש

בנוסף, עוצמת ההקרנה הסולארית תלויה במיקום השמש בשמיים (גובה (רום) ואזימוט). מיקום זה משתנה במשך השנה ובמהלך היום (ראה את איור 4). הדבר תלוי גם בקו הרוחב.

 

איור 5 מציג את עוצמת ההקרנה הסולארית על משטח אנכי, כגון חזית בניין, בקיץ (21 ביוני) ובחורף (21 בדצמבר). היות שגרפים אלו חושבו על סמך שמיים חסרי עננים וללא בניינים המקיפים את האזור, הרמה המצוינת יכולה להיחשב כעוצמת ההקרנה הסולארית המקסימלית אותה יכול משטח אנכי לקבל.

איורים אלו הינם עבור קו רוחב של 50 מעלות צפון. בקווי רוחב אחרים, האיורים האלו יהיו שונים. באופן כללי, באירופה, התבנית הכללית מאוד דומה.

ניתן לראות ש:

1. חזיתות החשופות לצפון מקבלות את רמת עוצמת ההקרנה הסולארית הנמוכה ביותר בשל מיקומן. כמות קטנה בלבד של קרינה סולארית פוגעת במשטח האנכי בתחילת הבוקר ומאוחר בערב במהלך הקיץ.

2. חזיתות הפונות למזרח ולמערב מציגות תבנית הפוכה: המשטח המזרחי יקבל את נתח הקרינה הגדול ביותר לפני הצהריים, בעוד שהמשטח המערבי יקבל זאת אחר הצהריים. ניתן לראות שעוצמת הקרינה נמצאת במקסימום כאשר היא מורכבת מהקרינה הישירה. אחר הצהריים עבור החזית המזרחית ולפני הצהריים עבור החזית המערבית, הקרינה מורכבת בעיקר מהקרינה המפוזרת המגיעה מהשמיים. זו הסיבה שהיא נמוכה יותר.

3. חזיתות החשופות לדרום מקבלות קרינה סולארית במשך רוב היום. על מנת למרב (למקסם) את השבח הסולארי לטובת ימי החורף, יש למרב (למקסם) את המשטחים המזוגגים בכיוון זה. עם זאת, חיוני להגן על החזיתות בקיץ באמצעות התקני הצללה כדי למנוע חימום יתר. בשל גובהה (הרום) הנמוך של השמש, ניתן לראות שעוצמת ההקרנה גבוהה יותר בחורף מאשר בקיץ.

 

2.4 גלי אינפרה-אדום ארוכים

כל החומרים פולטים קרינה ברציפות לכל הכיוונים בצורת אנרגיה. בעוד הספקטרום הסולארי כולל קרינה בעלת אורכי גל קצרים הנפלטים בטמפרטורות מגוונות, הקרינה התרמית מורכבת בעיקר מקרינת אינפרה-אדום בעלת אורכי גל ארוכים הנפלטים בטמפרטורה נמוכה.

למעשה, פרוש הדבר הוא שחומר עליו מוקרנת קרינה סולארית, יתחמם ויפלוט קרינה בעלת אורכי גל ארוכים לאזור הסובב. קרינה זו תחמם את החומרים הנמצאים בסמיכות, אשר יחלו שוב לפלוט קרינה, וכן הלאה.

תנור חימום מהווה דוגמא מצוינת לחפץ/חומר הפולט קרינת אינפרה-אדום בעלת אורכי גל ארוכים. כל חומר המתחמם באמצעות קרינה סולארית הופך למעין תנור חימום.

יכולתו של חומר לפלוט סוג זה של קרינה ניתן באמצעות הפליטות שלו (ראה את 2.5). כל עוד לחומר אין חורים, הוא אטום לגלי האינפרה-אדום הארוכים. לפיכך, קירות וזיגוג אינם מאפשרים מעבר של קרינה מסוג זה. ולכן, החום נשמר בתוך החדר. דבר זה ידוע כ"אפקט החממה" אשר מועיל בחורף כאשר הוא מייצר חימום בחינם, והופך לקריטי בקיץ כאשר הוא מייצר חימום יתר.

2.5 כיצד מושפע חומר מקרינה?

כאשר משטח (זיגוג, אריג או רפפה) מוקרן, הקרינה הפוגעת E מתפצלת לשלושה חלקים (ראה את איור 6):

• חלק המועבר מבעד לחומר. הוא מאופיין על-ידי ההעברות (transmittance) t, היחס בין השטף המועבר לשטף הפוגע.
• חלק המשתקף חזרה על-ידי החומר. הוא מאופיין על-ידי ההחזרות (reflectance) r, היחס בין השטף המשתקף חזרה לשטף הפוגע.
• חלק הנספג על-ידי החומר, המאופיין על-ידי הבליעות (absorptance) a.כך ש: t + r + a = 100%

 

 

עבור קרינה פוגעת נתונה E, הקרינה המועברת שווה ל- t X E, הקרינה הנספגת שווה ל- a E x והקרינה המשתקפת חזרה שווה ל- a x E.

העברות, החזרות ובליעות הינם מאפיינים ספציפיים לחומר. עם אריג למשל, ערכים אלו יהיו תלויים בעיקר בסוג החומר, בפתיחות האריג ובצבע. הדבר אף תלוי באורך הגל של הקרינה הסולארית. ניתן למדוד את התכונות הללו עבור אורך גל ספציפי (לדוגמא, עבור 250 ,260, 270 ננומטר וכדומה). ערכים אלו נקראים "נתונים ספקטריים".

יחד עם זאת, לעיתים קרובות הם מוגדרים עבור:

• הספקטרום הסולארי המלא, למשל, מ-250 ננומטר עד 2,500 ננומטר (ראה את איור 3). .תכונות אלה מזוהות על ידי הציון התחתי "e" (עבור "אנרגטי" ("energetic") או "סולארי" ("Solar"): re, te ו-ae.
• החלק הגלוי לעין של הספקטרום, למשל, מ-380 ננומטר עד 780 ננומטר. במקרה זה, עושים שימוש במאפיינים הללו על-מנת לחשב את התכונות החזותיות של המוצר (בעיקר את העברות האור). הם מזוהים על-ידי הציון התחתי "v" (עבור "גלוי לעין" ("Visible"): rv, tv, av.
• קרינת גל ארוך אינפרה-אדום, למשל, מ-2,500 ננומטר עד 100,000 ננומטר. ערכים אלו הינם הכרחיים עבור החישוב המפורט של כמה מהמאפיינים התרמיים של המוצרים. הם מזוהים על-ידי הציון התחתי  IR": T1R+P1R" ועל ידי הפליטות e (במקרה הזה, הפליטות שווה ל-a1r.

במקרה זה, הם נקראים "נתונים משולבים".

פרטים נוספים לגבי נתונים ספקטריים ונתונים משולבים זמינים באתר של ה-ES-SDA.

הערה

בכל המקרים, הקשר בין העברות, בליעות והחזרות נשלט על-ידי הנוסחאות הגנריות הבאות:

• i=te+pe+ae עבור הספקטרום הסולארי השלם
• i=tv+pv+av עבור החלק הגלוי לעין של הספקטרום הסולארי
• i=t1r+p1r+e עבור קרינת גל ארוך אינפרה-אדומה.

לפיכך, בפועל, רק שני ערכים הינם הכרחיים כדי לאפיין את החומר (למשל, ו- או ו-e).

בנוסף, יש לציין כי קרינה מועברת בשתי דרכים. ההעברות t כוללת:

• העברות ישירה, המצוינת כ-, אשר עבורה הקרינה אינה מושפעת על ידי חומר, וכן –
• קרינה מפוזרת, המצוינת כ- המתאימה לפיזור הקרינה לכל הכיוונים על ידי החומר (ראה איור מספר 7).

סכום החלק הישיר והמפוזר המועברים שווה לערך הכולל. לדוגמה:

 

ההעברות הישירה החזותית קשורה בעיקר לגורם הפתיחות, ואילו ההעברות המפוזרת החזותית מושפעת () על-ידי הצבע, העובי ומבניית חומר הווילון (למשל, אריג, פסיסים, רפפות).

לבסוף, החזרות ובליעות עשויות אף הן להיות תלויות בשטח הפנים של המוצר, למשל, במקרה של הבדלים בציפוי או בצבע. שני ערכים עשויים להיות אז הכרחיים: r ו- r’ התואמים לשני צידי משטחי האריג.

איור 8 ממחיש את המאפיינים של חומר התריס או הווילון (הצלון) (אריג, רפפה או פסיס), הנדרשים לחישוב מפורט של הנתונים של התכונות התרמיות והחזותיות של המוצר. איור זה אינו לוקח בחשבון את מאפייני הזיגוג, שאף הם נדרשים. חלק זה מפורט ב- 1.1 וב-5.

 

מאפיינים אלו נמדדים בהתאם לתקן האירופי 14500 EN "ווילונות (צלונים) ותריסים – נוחות תרמית וחזותית – שיטות בדיקה וחישוב".

 

3. המאפיינים התרמיים: ערכי ה- U וה-R∆

ערך הU (המצוין על-ידי Uw) מייצג את ההפסדים התרמיים העוברים דרך חלון. עבור חלון בודד (עם ווילון (צלון) או תריס במצב משוך כלפי מעלה), מקדם זה תלוי בערך ה-U של הזיגוג (Ug) ושל המסגרת (Uf) והקשר בין הזיגוג לבין המסגרת (), שטח הזיגוג והמסגרת (Ag ו-Af) והיקף הזיגוג (lg).

ערך זה מחושב בהתאם לתקן האירופי 10077-1 ISO EN באמצעות הנוסחה הבאה:

 

ככל שערך ה- Uw נמוך יותר, כך יהיה בידוד החלון טוב יותר. ערך U נתון בוואט למטר רבוע במעלות קלווין (K) (W/m2K).

 

התקן הגנה סולארית המוארך לפני חלון, מציג מרחב אוויר נוסף המאופיין על-ידי התנגדות תרמית נוספת המצוינת באמצעות R∆ (במטר רבוע במעלות קלווין לוואט m2K/W). ערך ה-R∆ מחושב בהתאם לתקן האירופי 13125 EN ותלוי בעיקר בחדירות האוויר של ההתקן ובהתנגדות התרמית של הווילון (המצויינת על-ידי Rsh).

בהתאם לתקן האירופי 13125 EN, חדירות האוויר של תריס או ווילון (צלון) מחושבת על-ידי התחשבות במרווחים ההיקפיים של הווילון (ראה את איור 10).

 

עבור ווילונות (צלונים) חיצוניים ופנימיים, 13125 EN מתחשב בנוסף בפתחים העשויים להיות קיימים בווילון (גורם הפתיחות של אריג למשל). קריטריון חדירות האוויר בא לידי ביטוי על ידי הנוסחה הבאה:

כאשר etot מחושב בהתאם לאיור 10 ו- p הוא היחס בין סך שטח הפתיחה לבין השטח הכולל של הווילון.

הטבלה הבאה מציגה את הנוסחאות השונות שנקבעו ב- 13125 EN לצורך חישוב ערך ה- ∆R עבור תריסים, ווילונות (צלונים) חיצוניים וצלונים פנימיים כלואים.

 

אפקט ההתנגדות התרמית הנוספת של תריס או ווילון (צלון) על החלון, נתון על-ידי המשוואה הבאה:

משוואה זו מוגדרת על-פי התקן 1-10077 ISO EN .עבור חלון נתון, ניתן לעשות בה שימוש כדי להעריך את שיפור ערך ה- U של החלון אשר התקבל ווילון (צלון) או תריס במצב של הארכה. טבלה 4 מציגה דוגמאות חישובים עבור שלושה ערכי ∆R שונים ושלושה סוגי חלונות שונים. ערכי ה- ∆R הנלקחים בחשבון הינם:

• m2K/W 0.08 למשל, תריס חיצוני חדיר ביותר.
• m2K/W 0.15 למשל, תריס גלילה תקני מאלומיניום.
• m2K/W 0.25 למשל, תריס גלילה אטום.

 

מדוגמאות אלו ניתן לראות שבכל המקרים, התריס או הווילון (צלון) מפחית את ערך ה- U של החלון Uw( < )Uws ולכן הוא מצמצם את הפסדי החום כאשר הטמפרטורה החיצונית קרה.

ללא ספק השפעת התריס או הווילון (צלון) גבוהה יותר כאשר החלון הינו בעל רמת ביצועים נמוכה: ערך ה- U נחצה לשניים במקרה של זיגוג בודד. הוא עדיין בעל השפעה טובה עבור חלון עם רמת ביצועים גבוהה: תריס אטום עדיין יפחית את ערך ה- U של חלון בעל זיגוג כפול עם ערך Uw של W/m²K 1.2 (שפרושו הוא חלון העושה שימוש בזיגוג עם W/m²K 1.0 = Ug) , ב – 23%.

 

4. המאפיינים הסולאריים: הגורם הסולארי

4.1 כללי

העברות האנרגיה הסולארית הכוללת, הנקראת גם הגורם הסולארי, מייצגת את חלק השטף הפוגע המועבר לתוך חדר.

 

g הינו הגורם הסולארי של הזיגוג בלבד. gtot הוא הגורם הסולארי של השילוב בין הזיגוג לבין התקן ההגנה הסולארית.

הערך של g או gtot נע בין 0 ל- :1 0 פרושו ששום קרינה אינה חודרת לתוך החדר ו- 1 פרושו שכל הקרינה מועברת.

ערך ה- g של הזיגוג עצמו נקבע על-ידי שיטת חישוב הניתנת ב- 410 .EN

קיימות שתי שיטות לחישוב ה- gtot של התקן הגנה סולארית המקושר לזיגוג:

• שיטה מפושטת הניתנת על-ידי 52022-1ISO,EN
• או שיטה מפורטת הניתנת על-ידי 52022-3ISO.EN

שתי השיטות עושות שימוש בתכונות של הזיגוג ושל החומר המרכיבים את התקן ההגנה הסולארית – אריג, פסיסים או רפפות – כפי שמוצג באיור .2.5

4.2 שיטת החישוב המפושט: 52022-1 ISO EN (המחליף את 13363-1)EN

התקן 52022-1 ISO EN נותן שיטה מפושטת לחישוב ערך ה- .gtot חישוב זה לוקח בחשבון את ערך ה- U וערך ה- g של הזיגוג וכן את ההעברות וההחזרות האנרגטית של התקן ההגנה הסולארית.

התקן מציין שהסטייה של החישוב המפושט בהשוואה לערכים המדוייקים שוכנת בטווח הנע בין 10.0+ לבין 02.0-. עקב כך מומלץ מאד ששיטת החישוב המפורטת (ראה את 4.3) תשמש לקביעת היתרונות של הרווח הסולארי והנוחות התרמית.

 

היתרון של תקן זה הוא שניתן לבצע חישובים בקלות ללא קבלת סיוע מהכלי המיועד לחישובים.
ואכן, הנוסחאות בהן נעשה שימוש הן הבאות:
עבור ווילון (צלון) או תריס חיצוני:

עם –

עבור ווילון (צלון) פנימי:

עם – 

 

עבור צלון פנימי כלוא:

עם –           

 

 

בכל המשוואות הללו:

• g הינו הגורם הסולארי של הזיגוג.
• Ug הינה ההעברות התרמית של הזיגוג.
• ,G1  G2 ו- G3 הינם ערכים קבועים המוגדרים על-ידי התקן.

 

יש לציין שניתן ליישם את המשוואות האלו רק אם ההעברות וההחזרות הסולארית של התקני ההגנה הסולארית נמצאים בתוך הטווחים הבאים:

ועם הדרישה הנוספת המציינת כי הגורם הסולארי g של הזיגוג נע בין 0.15 לבין .0.85 בכל המקרים האחרים, יש לבצע את החישובים בהתאם ל- 52022-3 ISO .EN

 

דוגמת חישוב עבור ווילון (צלון) חיצוני (בצבע אפור).

 

 

4.3 שיטת החישוב המפורט: 52022-3 ISO EN (המחליף את 13363-2 )EN

בעודה מנסה להציג את ההתנהגות הפיזית האמיתית של שילוב של ווילון (צלון) וזיגוג כאשר הוא נפגע על-ידי קרינה, שיטת חישוב זו הינה הרבה יותר מסובכת מאשר הנוסחאות שניתנו על-ידי 52022-1 ISO .EN היא דורשת שימוש בכלי חישוב ספציפי.

עיקרון החישוב קובע שיש לקחת בחשבון את הווילון (צלון,) הזיגוג ומרחב הגז כשכבות נפרדות במיקומים מוגדרים (ראה את איור ,)11 כאשר לכל שכבה יש את התכונות שלה (העברות, החזרות, פליטות וכו') התנאים החיצוניים (טמפרטורה, עוצמת הקרנה, אוורור…) נלקחים בחשבון אף הם. מטרת החישוב הינה להעריך את האינטראקציה של כל שכבה עם תנאים אלו.

 

לפיכך, חישוב זה כולל שלושה חלקים:

 

מעבר הקרינה הסולארית:

חלק זה של ה- gtot מכמת את חלק הקרינה הפוגעת הסולארית החודר לחדר דרך העברות והשתקפויות מרובות של שני המשטחים עבור כל שכבה במערכת.
לטמפרטורת המערכת אין כל השפעה על החישוב.
איור 12 נותן דוגמא לחישוב אותו יש לבצע עבור מערכת המורכבת מווילון (צלון) חיצוני ומזיגוג כפול. בדוגמא זו, החישוב מוביל לפתרון מטריצת השטף הבאה:

העברה זו מאופיינת על-ידי ההעברות הסולארית הישירה te של המערכת "ווילון (צלון) וזיגוג." היא מתקשרת אל הספקטרום הסולארי המלא.

·   מעבר החום:

סוג זה של מעבר לוקח בחשבון את השפעת הטמפרטורות הפנימית והחיצונית בשיתוף עם השפעת עוצמת ההקרנה הסולארית (שתעלה את הטמפרטורה של כל חומר על-ידי ספיגה).

מעבר זה הינו בעל חלוקה משנית לשני חלקים:

–    מעבר על–ידי קרינה תרמית:

מעבר זה נובע מפליטה של גל ארוך של קרינה אינפרה-אדומה (ראה את 2.4) על-ידי כל שכבה המתחממת על-ידי הטמפרטורה החיצונית והקרינה הסולארית.
החום מועבר משכבה אחת לשכבה הבאה באמצעות קרינה זו.
מעבר זה מאופיין על-ידי גורם הקרינה התרמית gth.

 

– מעבר חום בהולכה (מוליכי) ובהסעה (קונווקטי🙂 מעבר חום בהולכה נובע מחיזור חום ישיר בתוך חומר השכבה ומרחב הגז הנמצא באמצע על-ידי אינטראקציה מולקולרית ישירה. מעבר חום בהסעה נובע מהעתקת חום מחומר השכבה למרחב הגז (לדוגמא, מרחב האוויר בזיגוג כפול).

מעבר זה מאופיין על-ידי גורם ההסעה gc.

 

 

·   נוכחות של אפקט ארובה במקרה של ווילון (צלון) פנימי:

אפקט זה נובע מהעתקת האוויר בתוך מרחב האוויר הנוצר בין הזיגוג לבין הווילון (הצלון) הפנימי. הדבר נובע מחימום מרחב האוויר הנוצר על-ידי הזיגוג המייצר זרימת חום כלפי מעלה בין הזיגוג לווילון (צלון) (ראה את איור 14).
אפקט זה מאופיין על-ידי גורם האוורור gv.

 

 

 

ערך ה- gtot ניתן אז על-ידי הוספת ההעברות הישירה הסולארית ,te גורם הקרינה התרמית gth, גורם ההסעה gc וגורם האוורור gy:

⁽¹⁾ 0 = gy במקרה של ווילון (צלון) חיצוני.

לפיכך, 52022-3 ISO EN נותן תיאור טוב של הגורם הסולארי. עם זאת, הוא דורש התחשבות בתופעות פיזיקליות שונות, אותן יש לקחת בחשבון בו-זמנית. לפיכך, השימוש בכלי חישובי ספציפי הינו הכרחי. דוגמאות לחישוב בהתאם ל- 52022-3 ISO EN מוצגות ב- 4.4.

 

4.4 השוואה של החישובים המפושטים והמפורטים

ניתן לעשות שימוש הן בשיטת החישובים המפושטים והן בשיטת החישובים המפורטים כדי לחשב את הגורם הסולארי gtot ואת ההעברות החזותית tot gv, (ראה את 5).
עבור אותו שילוב של זיגוג ווילון (צלון), ניתן לעשות השוואה של הצבעים השונים של אותו האריג. שלוש תצורות של צבעוניות מוצגות בטבלה 5.

 

לפי תקן 1450, EN זיגוגים טיפוסיים המשמשים כתבחינים הוגדרו על-מנת לאפשר לבצע השוואות. הזיגוג התקני C לפי התקן (זיגוג כפול ,4-16-4 עם ציפוי פליטה נמוך במיקום 3 (המשטח החיצוני של החלון הפנימי,) חלל מלא בארגון,) נלקח בחשבון למטה (ראה את טבלה 6).

יש לציין ש 14501- EN ו52022– ISO EN מפרטים זיגוג שונה להתייחסות. בהתחשב בעובדה שהתקנים 13659 EN ו- 13561 EN מתייחסים ל14501- ,EN על הזיגוג המפורט בתקן זה להישאר בתוקף. המוסכמה של ה- ES-SO קובעת שעל היצרנים לפרט את הזיגוג התקני C מ- 14501 EN למטרות השוואה.

 

התוצאות עבור ווילון (צלון) חיצוני מוצגות בטבלה 7.

 

התוצאות עבור ווילון (צלון) פנימי מוצגות בטבלה 8.

 

בכל המקרים, עבור הערך gtot ,שיטת החישוב המפורטת מספקת תוצאות מדויקות יותר מאשר השיטה המפושטת אשר מעריכה יתר על המידה את ההעברות הסולארית. יש לשים לב שבדוגמאות אלה, השוני בתוצאות המתקבלות גבוה יותר עבור אריגים כהים כאשר הווילון (צלון) חיצוני ועבור אריגים בהירים כאשר הווילון (צלון) פנימי.

היתרון הגדול ביותר של שיטת החישוב המפורט הינו היכולת להבחין בחלק השטף המועבר כקרינה או כחום.

 

עם זאת, דוגמאות אלו מראות שהשיטה המפושטת מספקת תוצאות זהות עבור העברות חזותית. הדבר עשוי לאפשר חישוב קל ומדויק באמצעות השימוש בשיטה זו. גם אם התוצאות אינן מוצגות בטבלאות אלו (כפי שהן אינן נלקחות בחשבון בתקן 52022-1 EN ISO  ניתן לראות שהחישוב של ההעברות החזותית המפוזרת אפשרי אף הוא באמצעות שיטת החישוב המפושטת.

4.5 זיגוג להתייחסות

הפרק הקודם הראה שביצוע של הצללה סולארית מוערך יחד עם הזיגוג עימו הוא משולב.

 

על-מנת להשוות הצללה סולארית על-סמך אותו בסיס, 14501 EN מגדיר 5 זיגוגים להתייחסות בהם יעשו שימוש יצרני הצללות כדי להצהיר על ביצועי המוצרים שלהם כאשר הזיגוג אליו הם יותאמו אינו ידוע.

 

מאפייני הזיגוג מוצגים בטבלה 9. הזיגוג C ישמש כברירת מחדל. בסיס הנתונים האירופי להצללות סולאריות (ES-SDA).

ה- ES-SO יצר בסיס נתונים למוצרים המחשב ערכים של ביצועי אנרגיה עבור מוצרי הצללה סולארית בשילוב עם זיגוג הנקרא בדרך כלל "מערכות זיגוג מורכבות."

קיים ביקוש הולך וגובר למידע מדויק עבור מוצרים בתחום תכנון ועיצוב בניינים. נקודת התייחסות מוסמכת ומהימנה בנוגע למידת הדיוק של המידע עבור מוצרים בהם עושים שימוש בבניית בניינים, מהווה מטרה עבור יוזמת בדיקות האיכות QUALICHeCK של האיחוד האירופי.

בסיס הנתונים SDA-ES פותח על-מנת לעמוד ביעדי ה- QUALICHeCK על-ידי אספקת נתונים תקפים ומאומתים עבור חומרי הצללה סולארית.

שלמות נתונים

נתוני הביצועים מופקים על-ידי מעבדה מוסמכת הבודקת מרווחי אורך גל של 5 ננומטר
באמצעות ספקטרופוטומטר , בהתאם לדרישות תקני האיחוד האירופי 14500 EN ו- 410 EN

לפני הכללתם, הנתונים נבדקים ונבחנים על-ידי וועדה של ביקורת עמיתים על-מנת לתקף את הנתונים ואת תהליך הבדיקה. תהליך זה זהה לתהליך בו עושה שימוש תעשיית הזיגוג והוא מהווה דרך חזקה ויעילה להבטיח את שלמות בסיס הנתונים.

 

כניסה לבסיס הנתונים

כאשר נתונים אלו מאושרים ומוכנסים לתוך בסיס הנתונים של ה- SDA-ES ,חישובים העוסקים בביצועי האנרגיה של מוצרי ווילונות (צלונים) והצללה בהם נעשה שימוש בשילוב עם זיגוג להתייחסות המוגדר ב – 14501 EN ,הינם אפשריים.
בסיס הנתונים למוצרים של ה- SDA-ES מאפשר למשתמשים לחפש מוצרים של יצרן מסוים ולייצא את המוצר ואת נתוני ביצועי האנרגיה שלו. הנתונים זמינים כמידע מלא על מוצר או בפורמט המיועד לקודי בניה לאומיים ספציפיים, קלטי מידול נתונים ומחווני ביצועי אנרגיה.

 

5. המאפיינים החזותיים: העברות האור, בקרת בוהק, תכונות החשכה, מבט החוצה

5.1 כללי

העברות אור tv מייצגת את חלק אור היום המועבר אל תוך חדר.

בדומה לגורם הסולארי, יש להבדיל בין העברות חזותית של הזיגוג עצמו לבין זיגוג בו נעשה שימוש יחד עם התקן הגנה סולארית. למרבה הצער, לפי התקנים האירופיים, הסימן בו משתמשים הינו זהה (tv בשני המקרים). לשם ההבהרה, הסימן tv,tot משמש במדריך זה לזיהוי מקרה של התקן הגנה סולארית עם זיגוג.

הערך של tv נע בין 0 ל- 0:1 פרושו ששום אור אינו מועבר לתוך החדר ו- 1 פרושו הכל הקרינה החזותית מועברת.

תקני החישוב של tv להתייחסות זהים לאלו של הגורם הסולארי: 410 EN עבור הזיגוג עצמו ושתי אפשרויות עבור התקן הגנה סולארית הקשור לזיגוג:

• שיטה מפושטת הניתנת על-ידי 52022-1ISO,EN
• או שיטה מפורטת הניתנת על-ידי 52022-3ISO.EN

5.2 שיטת החישוב המפושט: 52022-1 ISO EN (המחליף את 13363-1 EN)

 

תנאי השימוש בתקן זה זהים לאלו המיועדים לחישוב הגורם הסולארי (ראה את 4.2).

בהתאם ל- 52022-1 ISO EN , הנוסחאות בהן יעשה שימוש לצורך חישוב הגורם הסולארי לחישוב tv,tot הן:

–   עבור ווילון (צלון) או תריס חיצוני:

–   עבור ווילון (צלון) או תריס פנימי:

 

כאשר:

Tv הינה ההעברות החזותית של הזיגוג.

הינה ההעברות החזותית של הווילון (צלון) או התריס.

הינה ההחזרות החזותית של צד הזיגוג הפונה אל הקרינה הפוגעת.

הינה ההחזרות החזותית של צד הזיגוג הנגדי לקרינה הפוגעת. הינה ההחזרות החזותית של צד הווילון (צלון) או התריס הפונה אל הקרינה הפוגעת.

הינה ההחזרות החזותית של צד הווילון (צלון) או התריס הנגדי לקרינה הפוגעת.

5.3 שיטת החישוב המפורט: 52022-3 ISO EN (המחליף את 13363-2 EN)

בחלק החזותי של הספקטרום, אין גורם העברת חום או אוורור אותו יש לקחת בחשבון. לפיכך, עקרון החישוב של העברת הקרינה הסולארית (ראה את 4.3) חל על קרינה בין 380 ננומטר לבין 780 ננומטר במקום הספקטרום הסולארי השלם.

שיטת חישוב זו לוקחת בחשבון את חלק הקרינה המועבר ללא כל סטיה מהווילון (צלון) או התריס, למשל, ההעברות החזותית הישירה tv,n-n וחלק הקרינה המתפזר לכל הכיוונים לאחר השתקפות על-ידי הווילון (צלון) או התריס, למשל, ההעברות החזותית המפוזרת tv,n-dif (ראה את איור 6).

 

ההעברות החזותית מורכבת אז משני חלקים משולבים:

 

5.4 מאפיינים חזותיים אחרים

5.4.1 כללי

על-מנת לבחור את התקן ההצללה הנכון עבור בניין, יש לבחון מגוון קריטריונים. הפרקים הקודמים הוקדשו למאפיינים המרכזיים לבחירת מוצר: הגורם הסולארי gtot, העברות האור tv וההתנגדות התרמית הנוספת R∆.

יש לקחת בחשבון מספר מאפיינים ויזואליים נוספים , בהתאם לסוג הבניין בו יותקנו התקני ההצללה (משרדים, בתי מלון, מתחמי מגורים וכו'), המטרות העיקריות (בקרה סולארית בלבד, בקרה חזותית בלבד, שתיהן, וכו').

המאפיינים העיקריים הם:

• איכות אור היום.
• בקרת בוהק.
• תכונות החשכה.
• מבט החוצה.

 

כתלות בתצורה ובצרכים, יש למצוא פשרה בין מאפיינים אלו כדי לבחור את המוצר המתאים ביותר: לדוגמא, ווילון (צלון) אטום יהיה המוצר האידיאלי לצורך בקרת בוהק אך הוא לא יאפשר מבט החוצה.

הפרקים הבאים מציגים פרויקטים של סיווג המיועדים להיות משולבים בתקן המוצע 14501 prEN* .תקן זה נמצא כעת תחת בדיקה מחדש. לפיכך, יש לשקול סיווגים בזהירות ובתשומת לב שכן הם עשויים להשתנות לפני הפרסום הסופי של 14501 EN.

 

סוגי הביצועים המופיעים בפרקים הבאים מצוטטים בטבלה 10.

 

 

• חקירת CEN (הוועדה האירופית לתקינה-  European Committee for Standardization) מתוכננת להיות מושקת בשנת 2018.

 

5.4.2 בקרת בוהק

אנשים סובלים מבוהק כאשר אזור מסוים בשדה הראייה שלהם בוהק מידי או כשהניגודיות בין אזור מסוים לבין סביבתו גבוהה מידי.

בוהק עלול להיגרם גם על-ידי השתקפות מטרידה על מסך מחשב בשל הפצת (הקרנת) אור של החלון ושל האזורים הסובבים.

לכן, התקן ההצללה צריך להיות מוגדר על-מנת להפחית את:

• הקרניים הסולאריות על-גבי משטח העבודה וסביבתו המיידית;
• ראיה ישירה של הדיסקה הסולארית;
• בהירות החלון והניגודיות עם סביבתו.

על-מנת לכסות את שני ההיבטים הראשונים, תשומת לב מיוחדת צריכה להינתן להעברות החזותית הנורמלית tv,n-n של חומר הווילון (אריג, רפפות, פסיסים), וכדי להתייחס לקריטריון השלישי, יש לתת תשומת לב מיוחדת להעברות החזותית המפוזרת tv,n-dif.

תפיסת הבוהק תלויה בקריטריונים רבים, כגון:

• אדם (גיל, חדות ראייה…).
• בניין (מיקום, סביבה…).
• חזית (אוריינטציה (כיוון,)העברות הזיגוג, אחוז הזיגוג…).
• חדר (שטח, מיקום ומספר חלונות, השתקפות של קירות ורהיטים…).
• פעילויות בחדר (משרד, מסכי מחשב, שימוש פרטי…).
• מיקום האדם בתוך החדר (מרחק מהחזית, כיוון הצפייה…).

לכן, בלתי אפשרי להגדיר את רמת הביצועים עבור התקני הצללה אשר יתאימו לכל תצורה.

כאשר בוהק אינו נחשב לקריטריון מפתח לבחירת מוצר, אפשר שתעשה הפניה לגישה המפורטת (ראה את 17037 EN – "אור היום של בניינים").

עם זאת, 14501 prEN מספק סיווג גנרי המיועד להערכת יכולתם של התקני הצללה לשלוט בבוהק. הוא נקבע תוך התחשבות בהנחות קבועות לגבי מיקום וכיוון

הבניין, גודל החדר, תכונות ומידות הזיגוג, מרחק הצופה מהחזית וכו'.

 

הסיווג מבוסס על גורמי ההעברות החזותיים הבאים tv,n-dif ו- tv,n-n (ראה את 2.5).

הסיווג משוכפל להלן:

5.4.3 תכונות החשכה

ביצועי החשכה מייצגים את יכולתו של התקן הצללה במצב של הארכה מלאה ובמצב סגור למנוע חדירת אור. הביצועים באים לידי ביטוי על-ידי רמת עוצמת ההארה שתחתיה לא ניתן להבחין בשום אור מאחורי התקן ההצללה.

עיקרון הבדיקה הינו כדלהלן: כאשר הוא מוקף בסביבה אטומה לאור, צופה יוכל להבחין אם אור מורגש דרך התקן הצללה כאשר המוצר מואר על המשטח החיצוני ברמות שונות של עוצמת הארה (ראה את איור 18).

 

עבור מספר סוגים, מקור אור נוסף ימוקם בחדרו של הצופה כדי לשחזר מצב של אור פנימי מינימלי, למשל, אור המיוצר על-ידי שעון או העובר מתחת לדלת.

העין האנושית רגישה ביותר במצב החשיכה המותאם (ראיית לילה). לכן, התקן לוקח בחשבון שהשימוש באדם, נכון לעכשיו, הינה הדרך הטובה ביותר להעריך את המוצרים על-מנת לקבוע את ביצועי ההחשכה והאטימות.

נכון לזמן זה, אף מכשיר אלקטרוני, פרט למונה פוטונים, רגיש מספיק על-מנת לשכפל את העין האנושית. היות שמערכת זו מורכבת ביותר ויקרה לשימוש, התקן לוקח בחשבון את העובדה כי העין האנושית היא הפתרון העדכני הרלוונטי ביותר. התקן כולל הליך להערכת יכולתו של הצופה כדי להוציא את הבדיקה אל הפועל.

הסיווג עבור ביצועי ההחשכה המוגדר על-ידי 1450 prEN מבוסס על שלושה רכיבים:

• ביצועי האטימות של חומר הווילון (למשל, אריג, רפפות, פסיסים), בהתאם לטבלה 13.
• בחירת המסגרת (בין שעם או בין שללא מערכת למניעת אור).
• תוצאת הבדיקה שנעשתה על התקן ההגנה הסולארית השלם לפי טבלה 12.

 

הסיווג שהוגדר על-ידי 1450 prEN הינו כדלקמן:

 

לדוגמא, כאשר התקן הצללה מסווג כ- C.3:

• C פרושו שעיצוב המסגרת כולל מערכת למניעת אור ושהמוצר השלם עבר את הבחינה עם אור פוגע חיצוני של 1,000 לוקס ואור פנימי של 0.002 לוקס.

• 3 הינו סוג החומר ממנו עשוי הווילון (שום אור אינו נקלט ב-30,000לוקס).

הסוג A.4 הינו סוג טכני המיועד לכיסוי יישומים ספציפיים כגון עבודת מעבדה מעולה, אופטיקה מתקדמת, עבודה פוטוכימית, טיפול בחומרים בעלי רגישות גבוהה לאור.

מערכת למניעת אור מוגדרת על-ידי התקן כ"פיתרון המיועד להפחתת חדירת אור הקפי". מערכת הנחיה עשויה להתאים לתכליתה של מערכת למניעת אור. עם זאת, כאשר הווילון אינו מוכנס למערכת ההנחיה (למשל, הנחיית כבלים), היא לא תוכל להיות מסווגת כמערכת למניעת אור.

סיווג חומר הווילון אליו מתייחס סיווג חומר המוצר הינו כדלקמן:

5.4.4 מבט החוצה

זוהי יכולתו של התקן ההצללה לאפשר מבט החוצה כאשר הוא נמצא במצב של הארכה מלאה. ביצועיהם של התקני הצללה ישתנו בהתאם לתנאי האור הפנימיים והחיצוניים. לכן, סיווג המוצרים צריך להיחשב כאמצעי להשוואה בין מוצרים. סיווג המוצרים ניתן על-ידי תכונות חומר הווילון. לפיכך מוצרים הניתנים להטיה, כגון תריסים ו ונציאנים או ווילונות (צלונים) אנכיים, צריכים להילקח בחשבון כאשר הם נמצאים במצב סגירה.

הסיווג מתאפיין על-ידי שני פרמטרים:

• ההעברות החזותית הנורמלית: tv,n-n.
• ההעברות החזותית המפוזרת: D.

 

ערכים גבוהים של tv,n-n עדיפים שכן הם מאפשרים זיהוי צורה. בניגוד לכך, ערך גבוה של tv,n- ,.n כגון צבע אור, אינו מועדף היות שהוא מעוות את הראיה הישירה ומייצר הפצת אור טפילית על הווילון כאשר הוא מואר על-ידי השמש.

סיווג המוצרים המוגדרים ב- 14501 EN הינו כדלהלן:

 

6. איכות אור יום

6.1 כללי

עיצוב אדריכלי של סביבות משרדים, בתים ובתי מגורים אחרים חייב לשים דגש נוסף על אספקת חשיפה מספקת לאור יום עבור אנשים כדי לקדם בריאות ושלומות. לכן, חישוב אור יום צריך להפוך לתקן בשלב התכנון הראשוני כך שמתכננים, משקיעים ובעלים יקבלו אינדיקציה לגבי השפעתן של תפיסות בנייה שונות.

הצללות קבועות (תלויה, לוחות סולאריים (תאים פוטו-וולטאיים), רפפות, רשתות ורכיבי בנייה אחרים כגון זכוכית סולארית), עשויות להפחית את כמות החום הסולארית אולם הן אף יגבירו את הצורך באור מלאכותי במהלך השנה וכן יפחיתו את הרווח הסולארי בעונות החמות (ראה את איור 19).

זו אינה ביקורת על תאים פוטו-וולטאיים וטכנולוגיות אחרות המסייעות לנו לעבור לאנרגיות מתחדשות אלא הצעה הגורסת שתכנון ועיצוב בניינים חייב להיות הוליסטי ושאור יום טבעי לא יכול ולא צריך להיות מוחלף באור לד במהלך היום.

אור יום הינו הכרחי וחיוני לחיים (אנושות, בעלי חיים וצמחים).

 

6.2 אור יום הוא יותר מאשר אור

אור היום אותו אנו רואים עשוי שלא להיות אור היום לו גופנו זקוק. כאשר בוחנים אור יום, יש לדון בשלושה תחומים:

 

• חוש הראייה שלנו לו אנחנו זקוקים עבור מידע חזותי אשר גם מעניק לנו יכולת התמצאות. חוש הראייה שלנו מאוד גמיש; אנו יכולים לראות ואף לקרוא לאורו של ירח מלא בלילה בהיר כמו גם כמו בימים שמשיים, רמת ההארה נעה בין 0.25 ל- 120,000 לוקס. התפיסה החזותית שלנו תתקן פגמים בעיבוד הצבע היכולים להתרחש, למשל כאשר עושים שימוש באור מלאכותי.
• טמפרטורת הצבע, הנמדדת במעלות קלווין (K) יכולה לנוע בין 1,800 מעלות קלווין (אור חם כמו בזריחה או בשקיעה או כשל להבת נר) עד מעל ל- 15,000 מעלות קלווין (אור קר כמו השמיים בקוטבי כדור הארץ). במהלך היום, טווחי טמפרטורת הצבע נעים בעיקר בין 5,500 ל- 6,500 מעלות קלווין. טמפרטורת הצבע משפיעה על הנפש שלנו; אור חם מרגיע בעוד אור קר גורם לפעילות. אור וצל מייצרים את האווירה בחדרים שלנו ותורמים לאופן בו אנו מגיבים לחלל מסוים – הדבר משפיע על היעילות.
• הספקטרום המלא של אור היום (מאולטרה-סגול לכמעט אינפרה-אדום) והדינמיות שלו (צפיפות האור וצבע האור), משפיעים על החושים הביולוגיים האנושיים. דבר זה מסנכרן את השעון הביולוגי ומשפיע על איכות השינה כמו גם על ייצור ויטמינים והורמונים (ויטמין ,D3 מלטונין, סרוטונין, קורטיזול וכו'). הוא אף מחזק את המערכת החיסונית. בנוסף, ידוע שמחסור באור יום תורם לתחלואה, כמו למשל רככת, אוסטאופורוזיס, פסוריאזיס, סבל מכאבי שרירים וכו'. מספר סוגי סרטן חשודים כקשורים לתופעות פגמי אור או הקרנה.

 

טווח הספקטרום הביולוגי היעיל (תאורה דינמית – הסובבת סביב האדם), רחב הרבה יותר מאשר הספקטרום החזותי (ראה את איור23).

הספקטרום החזותי משתנה במהלך היום (ראה את איור 24). שינויים אלו משפיעים על כל המינים החיים על-פני כדור הארץ, כולל בני האדם.

שמיים דינאמיים עם ספקטרום חזותי מתחילים בזריחה עם צבע חם (טמפרטורה של כ- 2,000 – 3,500 מעלות קלווין ) בשל שיא אדום (איור 24A). במהלך היום, הספקטרום של השמיים נותר זהה כתלות בנוכחותה של שמש ישירה או שמיים מעוננים (תמונות 24B ו- 24C). טמפרטורת צבע של 5,500 עד 6,500 מעלות קלווין שוררת במהלך שעות היום. בשקיעה, כל חלקי הספקטרום, חוץ מאדום, פוחתים. (תמונות 24D ו- 24E). טמפרטורת הצבע צונחת ל- 2,500 מעלות קלווין בקירוב. לפני שהשמיים מחשיכים, קיים פרק זמן קצר הנקרא "השעה הכחולה" בו החלק הכחול של הספקטרום גובר (תמונה F24).

הספקטרום מציג את טבעו של אור היום בזמנים שונים במהלך היום אך הוא אינו משקף את כמות האור. מחזור התפתחותי זה משפיע על השעון הביולוגי (שעון ביולוגי, הורמונים וכו') של כל היצורים החיים על-פני כדור הארץ.

6.3 אור יום טבעי, אור יום מסונן ואור מלאכותי

כשמתייחסים לאור בחדרים, הגורם הביולוגי צריך תמיד להילקח בחשבון גם כן. קיים רק סוג אחד של אוויר אותו האדם יכול לנשום, אולם ישנן שתי דרכים המאפשרות אספקת אור בחלל מסוים, וזאת במהלך היום , עם אור יום העובר דרך רכיבים שקופים במעטפת הבניין או באמצעות אור מלאכותי.

כל הפחתה באור או בהעברות הסולארית עשויה להשפיע על ספקטרום האור. זיגוג (כגון זיגוג לצורך בקרה סולארית, זכוכית עם ציפוי סולארי או זיגוג אלקטרוכרומטי) משנה את ההרכב הספקטרי של אור היום הטבעי בעוד שמערכות הצללה סולאריות יכולות לשלוט בכמות אור היום הנכנס לחדר מבלי לשנות את טבעו. זאת לנוכח העובדה שהצללה מפחיתה את העברות האנרגיה בעודה שומרת על חלק מהעברות האור הישיר (לדוגמא דרך חורים או רפפות).

6.3.1 סוגי ספקטרום חזותיים של מקורות אור יום שונים

התמונות הבאות מציגות סוגי ספקטרום שונים של אור יום (החלק הגלוי לעין בלבד) כפי שהם נתפסים על-ידי העין האנושית עבור תצורות שונות (עם או בלי זיגוג או הצללה). על-מנת להציג את השפעת הזיגוג או ההצללה, רק צורות הדיאגרמות משמעותיות, כמות האור שונה (בהתאם להעברות האור).

מספקטרומים אלו בטווח החזותי בלבד, ניתן לחייץ (לבצע אקסטרפולציה – אומדן משתנה מחוץ לתחום הערכים שלו) את השינויים בטווח האולטרה-סגול (החלק השמאלי, מתחת ל- 360 ננומטר) ובטווח האינפרה-אדום הקרוב (NIR) (החלק הימני, מעל 760 ננומטר) המשפיע על החושים הביולוגיים. הקו בעל הנקודות הלבנות באיורים 26 עד 30 ,מייצג את הצורה המופיעה באיור 25 (אור יום טבעי ללא זיגוג ו/או הצללה) בזמן בו הספקטרום הזה נמדד.

העין רגישה לשלושה צבעים בלבד בעוד גוף האדם רגיש לספקטרום השלם. מדד רצף הצבע (CRI – Index Rendering Color) מאפיין את איכות אור היום החזותי
הנקלט על-ידי בני האדם בשמיים מעוננים (100 CRI). כאשר האור עובר דרך רכיב שקוף, ה- CRI ניתן לשינוי כתלות בחומר ו/או בשכבות כגון ציפויים, צבעים וכו'.
אם ערך ה- CRI יורד מתחת ל-95, ניתן לשנות את התפיסה החזותית מאחורי הזיגוג.

חלק מאור האדום והכחול מופחת (כחול בשל השמשות עצמן ואדום בשל הציפוי). למרות שהדבר אינו מוצג בדיאגרמה, חלק הספקטרום שאינו גלוי לעין יושפע באותו האופן, דהיינו הפחתה של החלקים האולטרה-סגולים והאינפרה-אדומים.
ה- CRI נמצא מעל 95 ,מצב הנחשב לביצועים חזותיים טובים מאוד.

 

הספקטרום כמעט זהה לספקטרום ללא ההצללה תודות לאור המועבר שאינו מסונן (העברות ישירה דרך חורים).
רק חלק מהמקטע הסגול מופחת בשל צבע האריג (אפור עם ציפוי אלומיניום על המשטח החיצוני).
ה- CRI נמצא מעל 95 ,מצב הנחשב לביצועים טובים מאוד

הספקטרום זהה לספקטרום ללא ההצללה תודות לאור המועבר שאינו מסונן (העברות ישירה דרך חורים).
גם כאן, רק חלק מהמקטע הסגול מופחת בשל צבע האריג (אפור עם ציפוי אלומיניום על המשטח החיצוני).
ה- CRI נמצא מעל 95 ,מצב הנחשב לביצועים טובים מאוד.

 

 

כאשר הפחתת הגורם הסולארי (העברות האנרגיה) מתקבלת על-ידי סינון האור, החלק האדום הגלוי לעין והחלק האינפרה-אדום הקרוב של הספקטרום פוחתים.

עבור ערכי g > 0.45 כמעט כל תחום האינפרה-אדום הקרוב חסום.

עבור ערכי g < 0.45 גם המקטע הגלוי לעין, מאדום עד ירוק, מופחת.

דבר זה משפיע על היעילות הביולוגית של האור שכן הוא כבר אינו אור יום טבעי.

ה- CRI מופחת הרבה מתחת ל- 95: הופעת המידע החיצוני והחזותי הופכת ללא טבעית.

 

היות שמדובר באותו עקרון הסינון המיושם, טכנולוגיה זו הינה בעלת אותה השפעה כמו זו הקיימת בזכוכית בעלת בקרה סולארית: הספקטרום השלם משתנה.

ה- CRI מופחת הרבה מתחת ל- :95 הופעת המידע החיצוני והחזותי הופכת ללא טבעית.

ההעברות הסולארית וזו של אור היום מופחתות לצמיתות, דבר המקטין את הרווחים הסולאריים המופקים בחינם במהלך התקופה החמה, ומגדיל את עלויות התאורה המלאכותית.

 

6.3.2 סוגי ספקטרום חזותיים של מקורות אור מלאכותי שונים

תאורה מלאכותית אינה יכול להוות תחליף לאור יום, לא בהרכב הספקטרי ולא בהגוון במהלך היום (עוצמה וכיוון). דבר זה חייב להילקח בחשבון בצורה נכונה על-ידי מעצבים על-מנת למרב (למקסם) את תפוצת האור הטבעי בחדרים.

אור מלאכותי צריך להוות תמיד אך ורק תוספת לאור היום: ניתן למטב את ביקוש האנרגיה לתאורה במהלך היום על-ידי תפיסה יעילה של תאורת אור יום.

ספקטרום זה זהה לספקטרום של שקיעה, אש או להבת נר (ראה את איור E24). הוא משתרע גם עד לאינפרה-אדום הקרוב!

יתרונות: הוא הינו בעל ספקטרום מלא ללא פערים (הדבר חשוב ליעילות הביולוגית). בשל רמת האור הכחול הנמוכה, הדבר גורם לייצור הורמון "השינה", מלטונין. זהו האור המלאכותי היחיד המייצר אינפרה-אדום קרוב , אשר הינו חיוני לרגיעה ולמערכת החיסונית. מדד רצף הצבע הוא 100%.

חסרונות: יעילות: רק 5% מתפוקת האנרגיה הוא אור, 95% הוא חום.

ספקטרום זה שונה לחלוטין מזה שהוטבע על-ידי האבולוציה במין האנושי. היות שהוא מיוצר על-ידי פליטת פוטונים (במקום על-ידי להט,) הוא מאופיין בשתי נקודות שיא בלבד. גם אם ניתן לבחור בצבען של מנורות אלו (מקור עד חום,) הספקטרום יוותר עם נקודת שיא כחולה.

יתרונות: יעילות (נצילות) אנרגטית, בעל אורך חיים ארוך, הזדמנויות חדשות רבות לשילוב ברהיטים ובאביזרים.

חסרונות: מעוצב כדי לענות על צרכים חזותיים; לצרכים ביולוגיים, חסר ספקטרום מלא עם אדום ואינפרה-אדום קרוב. נקודת השיא הכחולה מעוררת את הורמון ה"לחץ", קורטיזול, אשר יכול לגרום לנדודי שינה ולהשפיע על בעיות רפואיות בעיניים. תאורת לד יכולה להבהב, דבר שיכול אף הוא להוביל לבעיות רפואיות.
מדד רצף הצבע הינו בדרך כלל 81% – 83 בקרוב.

הספקטרום שונה לחלוטין מהספקטרום של אור היום הטבעי. נורות פלורסנט מתפקדות כמו מדפסת הזרקת דיו (הפעלת קנים (תאים קולטי אור) כחולים, ירוקים ואדומים ברשתית). דבר זה עשוי לספק את הצרכים החזותיים אך הוא אינו משכפל את האפקט הביולוגי של אור יום טבעי.

יתרונות: יעילות (נצילות) אנרגטית, בעל אורך חיים ארוך, לא יקר.

חסרונות: אין יתרונות ביולוגיים בשל הפערים הרבים בספקטרום.
מדד רצף הצבע הינו בדרך כלל 77 – 82% בקרוב.

 

לפיכך, מתכנני ומעצבי בניינים צריכים לשקול זיגוג עם העברות גבוה המשלב הצללה סולארית דינמית על–מנת:

• למרב (למקסם) את העברות אור היום של הזיגוג, ובכך להבטיח שספקטרום אור היום המלא אינו מסונן.

• למטב את רמת אור היום כך שלדיירי הבניין יהיה מספיק אור יום מבלי לסבול מבוהק ומחימום יתר.

מילוי עקרונות אלו יוביל בו–זמנית לאיזון האנרגיה הטוב ביותר האפשרי, המאפשר רווחים סולאריים המופקים בחינם בתקופה הקרה ומונע חימום יתר או צריכת קירור אוויר בעונות חמות.

6.4 השפעות אור היום על שלומות וביצועי בני האדם

מחקרים רבים חקרו את הקשר בין אור יום, שלומות פסיכולוגית וכן יצרנות עובדים או ביצועי תלמידי בתי הספר. השפעת אור היום במקום העבודה, על השינה, איכות החיים ועל הבריאות הכוללת תלויה גם-כן באיכות אור היום.

 

רצפי היום והלילה הינם כמה מהגורמים הסביבתיים העיקריים של השעון הביולוגי המשפיעים על הדפוסים הביולוגיים, הנפשיים וההתנהגותיים, כגון שינה ופעילות. להגוון החשיפות לאור במהלך היום יש השפעה גדולה על מקצבים אלו. בהינתן העובדה ששעות העבודה מתבצעות במהלך שעות אור היום הטבעי הביולוגי, לחשיפה לאור בסביבת העבודה תהיה השפעה על השינה, והשינה וגורמים משפיעים נוספים ישפיעו אף הם על הבריאות הפיזית והנפשית.

מאז הופעת תסמונת ה"בניין החולה" מ- 1970 והצהרת ארגון הבריאות העולמי מ- 1994 לגבי "בריאות תעסוקתית לכל", הפכה הבריאות התעסוקתית לסוגיה רלוונטית בקרב אנשי מקצוע בתחום הבריאות וארכיטקטים כאחד. יחד עם העלייה בהתעניינות כיום בארכיטקטורה ירוקה, תאורת אור יום הפכה להיות שיקול עיצובי חשוב. באופן כללי, המלצות הקשורות לתאורת אור יום נעשות במתכונת של גורם אור היום (Factor Daylight – DF), עם רמות הנעות בין %1 ל– %6 בהתאם לסוג הבניינים ולפעילותם. דבר זה אינו מהווה באמת אתגר ורוב הבניינים משיגים גורם אור יום > %2 .מאחר שלמדענים יש כיום הבנה טובה יותר לגבי השפעות אור היום על בני האדם, תקני הבניה משתנים על-מנת להשיג גורמי אור יום גבוהים יותר, כגון התקן הקרב ובא 2016:17037 prEN העוסק ב"אור יום של בניינים".

גורם אור היום (DF) הינו אחוז הפצת האור הפנימית בהשוואה להפצת האור החיצונית על משטח אופקי. עיקרון גורם אור היום תקף אך ורק במצבי שמיים מעוננים עקביים (בערך 10,000 לוקס). עוצמת האור של השמש גבוהה פי 7 עד 10 בהשוואה לשמיים מעוננים, לכן ניתן לעמעם את העברות האור באמצעות התקני הצללה מבלי להחשיך את החדרים אף יותר.

קיימות ראיות רבות הקושרות חוסר שינה ו/או ירידה באיכות השינה למגוון משמעותי של ליקויים קצרי-טווח, כגון אובדן זיכרון, החזרים פסיכומוטוריים איטיים יותר וקשב מופחת. אם סביבות ללא חלונות, או כאלו החסרות אור יום, משפיעות על איכות השינה של עובדים ותלמידים, יהיו לכך השלכות לא רק על הפרט אלא גם ברמה החברתית, דבר שיוביל ליותר תאונות, טעויות במקום ה עבודה ויצרנות מופחתת. איכות שינה היא גם אינדיקטור בריאותי חשוב שעלול להשפיע על, ועשויים להיות לו יחסי גומלין, עם מצב הרוח, הביצועים הקוגניטיביים והתוצאות הבריאותיות, כגון סכרת ומחלות אחרות. לכן, חיוני לחקור את השפעות אור היום שכן הן יכולות לספק דרך מעמיקה לשיפור יצרנותם ובריאותם של העובדים כמו גם את בטיחות הקהילה בה הם עובדים וחיים. מניעת אור פוגעת בנוירונים המונואמינים
ומייצרת מערך חזותי (פנוט יפ) התנהגותי דיכאוני בחולדות. בבני אדם, מתאם (קורלציה) ישיר בין דרגת החומרה של דיכאון עונתי לבין חשיפה לאור יום טבעי, מתועד היטב. תוצאות של מספר מחקרים מראות כי הן אור בוהק טבעי והן מלאכותי (הרבה יותר גבוה מאשר דרישת המינימום עבור תאורה של 300 או 500 לוקס), במיוחד בבוקר, יכולים לשפר באופן משמעותי תוצאות בריאותיות כגון דיכאון, סערת נפש, שינה, מקצבים ביולוגיים של פעילות ושינה וכן דיכאון עונתי.

ההשפעות הללו של חשיפה לאור, או העדר החשיפה אליו, ממחישות את חשיבותה של חשיפה ראויה לאור עבור השלומות הפיזית והבריאות הנפשית. בחברה המודרנית שלנו, תחומי אחריות רבים במקום העבודה ובבית מכתיבים שינויים אותם אנו כופים על עצמינו ו/או אובדן אור יום בחיי היומיום שלנו. חוקרים טוענים שלרמת החשיפה לאור הנקבעת על-ידי לוחות הזמנים היומיים שלנו תהיינה השלכות עוקבות על מצב הרוח שלנו, הביצועים הקוגניטיביים ועל השלומות הכוללת.

6.5 מסקנות

"אור טוב", במובן של אור דינמי בעל הפעלה ביולוגית בשילוב תאורה טבעית נטולת בוהק הינו חיוני לבריאות, לשלומות הכללית, לביצועים טובים יותר בעבודה או בבית הספר, למנוחה טובה יותר ואחרון אחרון חביב, למצב רוח טוב יותר.

שיעור גבוה של אוטונומיה בכמות אור היום, מפחית למינימום את הצורך באור מלאכותי במהלך היום; ולפיכך, הוא מפחית את צריכת האנרגיה של אור מלאכותי, קירור וחימום וכן מפחית את עלויות התחזוקה בשל מרווח זמן ממושך יותר הנדרש לשירות.

הצללה סולארית דינאמית המשולבת עם זכוכית שקופה או זכוכית בידודית, מבטיחה את איכות אור היום הטובה ביותר על-ידי הפחתת עוצמתו מבלי לשנות את הספקטרום שלו. חשוב ביותר שניתן יהיה למשוך לאחור את ההצללה שכן השמש מאירה רק במשך מספר שעות בכל יום על כל חזית ספציפית. בהתאם לאקלים ולאזור, הגנה סולארית נדרשת רק בין 10% ל- 20% מ- 4,500 שעות אור היום.

אם ההגנה הסולארית הינה קבועה (תלויה, רשתות, רפפות, לוחות סולאריים (תאים פוטו- וולטאיים), זכוכית סולארית, ציפוי סולארי וכו'), ביקוש האנרגיה לתאורה עולה והיא יכולה להיות גבוהה יותר מהביקוש לאנרגיה לצורכי קירור ואפילו זו המיועדת לחימום. אור היום אינו אנרגיה מתחדשת אך עליו להיות מובן כמשאב ראוי היכול להגביר את היעילות (הנצילות) האנרגטית של בניינים ולסייע למנוע מהכלכלות הלאומיות להעלות את עלויות שירותי הבריאות. הוא הופך את חללי הפנים לתוססים ונמרצים יותר ויוצר אווירה של נוחות ושלומות עבור הדיירים. החיים נוצרו על-ידי אור, לכן, היצורים החיים תלויים באור יום טבעי. כיום, אנשים רבים מבלים %90 או יותר מזמנם בתוך בניינים. זוהי תופעה חדשה באבולוציה. מעצבי בניינים והאנשים הגרים בהם חייבים להיות מודעים לכך.

חשוב מאוד להימנע מעיצוב בניינים עם זיגוג המונע לחלוטין כניסת אור יום טבעי כדי להשיג חיסכון בקירור. על-מנת לקדם חיים בריאים, הצללה שולטת הן ב חום והן באור היום, למען סביבה נוחה עם עלויות אנרגיה מופחתות. הצללה הינה הפתרון עבור כל החלונות והחזיתות המזוגגות.