Sonnenlicht im Innenraum, Spannungsfeld zwischen Energieeintrag und Lichtqualität

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1 Sonnenlicht im Innenraum, Spannungsfeld zwischen Energieeintrag und Lichtqualität Arch. Dipl. Ing. Gregor Radinger, MSc Zentrum für Lichtplanung und Lichtlabor Dipl. Ing. Daniela Trauninger, Zentrum für Bauklimatik und Gebäudetechnik Donau Universität Krems, Department für Bauen und Umwelt

2 QUALITÄT UND QUALITÄT DES TAGESLICHTANGEBOTS IN INNENRÄUMEN Potentialstudie unter spezieller Berücksichtigung des strahlungsinduzierten thermischen Raumverhaltens und der Photophysiologie des Menschen BEOBACHTUNGEN: Spektrale Veränderungen

3 BEOBACHTUNGEN : Licht bei thermischer Optimierung

4 BEOBACHTUNGEN : Kunstlicht am Tag

5 BEOBACHTUNGEN: Kontraste

6 Spannungsfeld: Licht Energieeffizienz und thermische Behaglichkeit Foto: Radinger, G. Forschungsarbeit am Department für Bauen und Umwelt: 1 1. Parameterstudie zur Untersuchung der Tageslichtversorgung und des thermischen Verhaltens eines exemplarischen Innenraumes in Bezug auf die Ausrichtung seiner transparenten vertikalen Flächen. 2. Untersuchung des Lichtbedarfs im Bezug auf gesundheitliche Aspekte. 1 Hammer, R.; Holzer, P. (2009) Qualität und Quantität des Tageslichtangebots in Innenräumen, Potentialstudie unter spezieller Berücksichtigung des strahlungsinduzierten thermischen Raumverhaltens und der Physiologie des Menschen

7 1. Potentialstudie: Licht und thermische Optimierung (Holzer, P.) Untersuchung eines langgestreckten Raumes mit der Möglichkeit einer zweiseitigen Belichtung (z.b. durch Erschließung mit Laubengang) Abstraktion der Geometrien und Konstruktionen vor dem Hintergrund des gerade noch zulässigen Mindeststandards: maximale Raumtiefe, minimale Raumhöhe, vollverglaste Fassade, minimaler Wärmeschutz, kein Sonnenschutz, Lüftung mit konstant 0,4 fachem Luftwechsel vereinfachtes Modell (TAS) Rostensteing , L.Dungl, 2004 Breitenfurterstr.114, H.Wimmer, 2002 Methodik

8 1. Potentialstudie: Licht und thermische Optimierung (Holzer, P.) 2 extreme Varianten der Befensterung: Vollverglasung gegen den Laubengang fensterloser Wand gegen den Laubengang Festlegung von Kennzahlen zur Beschreibung der Potentiale der Tageslichtversorgung und des winterlichen wie sommerlichen thermischen Verhaltens: passive solare Gewinne (HWB) Sommertauglichkeit (KB) Belichtung (LPF) Berechnung der genannten Kennzahlen für eine in 30 Schritten variierte Ausrichtung der Raumgeometrien Methodik

9 Kriterium 1: Kennzahl: Passiv Solares Gewinnpotential Heizwärmebedarf (HWB) 20 C Raumlufttemperatur Langjähriger Klimastandort Wien (Testreferenzjahr) Keine inneren Lasten 0,4 facher Luftwechsel Bauteile entsprechend dem gesetzlichen Mindeststandard U w =1,3 W/(m²K), U AW =0,3 W/(m²K) Kriterium 2: Kennzahl: Sommertauglichkeitspotential Kühlbedarf (KB) 27 C Raumlufttemperatur Innere Lasten, Klimastandort, Bauteile und Luftwechsel unverändert gegenüber der HWB Berechnung Beurteilungskriterien: thermische Optimierung

10 Kriterium 3: Kennzahl: Tageslichtpotential Light Penetration Factor (LPF) Idee: Abbildung der Raumqualität Durchlichtung. Definition des LPF: Anteil des Nettovolumens eines Raumes, der unter der Voraussetzung eines wolkenlosen Himmels innerhalb eines Tages zumindest einmal von einem direkten Sonnenstrahl durchlichtet wird Stündlicher Momentanwert des LPF: Anteil des Nettovolumens eines Raumes, der unter der Voraussetzung eines wolkenlosen Himmels zur konkreten Stunde von einem direkten Sonnenstrahl durchlichtet wird. Grafik: Radinger, G. Beurteilungskriterium: Licht

11 N 21. Dezember W S O T_GGG_B460_T1400_A180 25, März [kwh/m²] 20,0 15,0 10,0 5, [Vol % HWB KB LPF 0,0 M12 M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8 M9 M10 M11M Juni Wand zu Laubengang verglast Nord Süd Orientierung: thermische Performance optimiert Lichtausbeute v.a. in den Übergangszeiten und im Sommer gering Ergebnisanalyse T_GGG_B460_T1400_A180

12 N 21. Dezember W S O T_GGG_B460_T1400_A , März [kwh /m² ] 20,0 15,0 10,0 5, [Vol %] HWB KB LPF 0,0 M12 M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8 M9 M10M11M Juni Wand zu Laubengang verglast 30 Süd West Orientierung (Laubengang): thermische Performance optimiert Lichtausbeute moderat Ergebnisanalyse T_GGG_B460_T1400_A180

13 Ergebnisbeispiel: Wohneinheit mit Wand gegen Laubengang verglast A150 Moderat A180 Dunkel A-150 Moderat A120 Mehrfach thermisch problematisch A-120 Moderat A90 Mehrfach thermisch problematisch A-90 Mehrfach thermisch problematisch A60 Überhitzung A-60 Heizproblematisch A30 Moderat A180 Dunkel A-30 Moderat Forschungsarbeit Hammer/Holzer

14 Nord Süd belichtete Wohnungen weisen bei gleichzeitig vorteilhaftem thermischem Verhalten eine schlechte Durchlichtung im Sinne des LPF auf. Wohnungen mit moderat aus der Nord Süd Richtung verschwenkten Längsachsen weisen eine sehr ausgewogene thermische und wieder im Sinne des LPF optische Performance auf. Die Ergebnisse dokumentieren grundsätzliche Zusammenhänge. Sie bilden Grundlage für planungspraktische Schlussfolgerungen, dürfen aber keinesfalls undifferenziert für die voreilige Formulierung von Entwurfsregeln missbraucht werden. Ergebnisanalyse

15 Im Zuge dieser wurde das Angebot an Tageslicht quantifiziert und so eine objektbezogene Vergleichbarkeit unterschiedlicher Varianten erreicht. Bedeutung kommt diesem Ergebnissen aber erst zu, wenn geklärt ist welcher Lichtbedarf eigentlich besteht. Wie viel Licht welcher Qualität braucht der Mensch? Kann der Lichtbedarf des Menschen im Innenraum gedeckt werden? Weiterführende Fragen

16 qualitative Licht wahrnehmung Gesundheitsrelevante Fragestellungen * Welches Strahlungsangebot liegt im Außenraum vor? * Welches Strahlungsangebot liegt im Innenraum vor? * Wie viel Strahlung ist dem Menschen zuträglich? * Wie wirkt sich Strahlungsmangel auf den Menschen aus?

17 Terrestrisches Strahlungsangebot qualitative Licht wahrnehmung Spektrale Bestrahlungsstärke [W/m²nm] Wellenlänge [nm]

18 Terrestrisches Strahlungsangebot Sichtbarer Spektralbereich 380nm 780nm qualitative Licht wahrnehmung Strahlungsabsoption durch das Auge Reizaufnahme durch Photorezeptoren Spektrale Bestrahlungsstärke [W/m²nm] Wellenlänge [nm]

19 Terrestrisches Strahlungsangebot Sichtbarer Spektralbereich 380nm 780nm qualitative Licht wahrnehmung Helligkeitsempfinden, Vλ Kurve Maximales Helligkeitsempfinden bei 555nm Spektrale Bestrahlungsstärke [W/m²nm] Wellenlänge [nm]

20 Terrestrisches Strahlungsangebot Sichtbarer Spektralbereich 380nm 780nm qualitative Licht wahrnehmung Circadiane Wirkungskurve, Cλ Kurve Max. Reizbarkeit nichvisueller Photorezeptoren bei 470nm Melatonin hormoneller Taktgeber für Schlaf Wachphasen Spektrale Bestrahlungsstärke [W/m²nm] Wellenlänge [nm]

21 Terrestrisches Strahlungsangebot Sichtbarer Spektralbereich 380nm 780nm qualitative Licht wahrnehmung Circadiane Wirkungskurve, Cλ Kurve Max. Reizbarkeit nichvisueller Photorezeptoren bei 470nm Melatonin hormoneller Taktgeber für Schlaf Wachphasen Spektrale Bestrahlungsstärke [W/m²nm] Wellenlänge [nm]

22 Terrestrisches Strahlungsangebot Sichtbarer Spektralbereich 380nm 780nm qualitative Licht wahrnehmung Circadiane Wirkungskurve, Cλ Kurve Max. Reizbarkeit nichvisueller Photorezeptoren bei 470nm Melatonin hormoneller Taktgeber für Schlaf Wachphasen beginnende Suppression 3lux max. Suppression 1000lux Spektrale Bestrahlungsstärke [W/m²nm] Wellenlänge [nm]

23 Terrestrisches Strahlungsangebot Ultravioletter Spektralbereich bis 380nm Strahlungs qualitative wahrnehmung Photoadaptive Reaktionen Lichtschwielen Sofortpigmentierungen Verzögerte Pigmentierung Spektrale Bestrahlungsstärke [W/m²nm] Wellenlänge [nm]

24 Terrestrisches Strahlungsangebot Ultravioletter Spektralbereich bis 380nm qualitative Strahlungs wahrnehmung Photopatologische Reaktionen Erythembildung Hautalterung Photokanzerogenität bei kerpen.de Spektrale Bestrahlungsstärke [W/m²nm] Wellenlänge [nm]

25 Terrestrisches Strahlungsangebot Ultravioletter Spektralbereich bis 380nm qualitative Strahlungs wahrnehmung Photophysiologische Reaktionen Previtamin D3 Synthese; Unterversorgung als Auslöser von Mangelerscheinungen (Kalziumstatus, Stoffwechselstörungen u.v.m) Spektrale Bestrahlungsstärke [W/m²nm] Wellenlänge [nm]

26 Terrestrisches Strahlungsangebot Ultravioletter Spektralbereich bis 380nm qualitative Strahlungs wahrnehmung Photophysiologische Reaktionen Previtamin D3 Synthese; Unterversorgung als Auslöser von Mangelerscheinungen (Kalziumstatus, Stoffwechselstörungen u.v.m) Spektrale Bestrahlungsstärke [W/m²nm] Wellenlänge [nm]

27 Experiment qualitative Raum wahrnehmung

28 qualitative Raum wahrnehmung Umfrage im Zuge einer Forschungsarbeit Im Auftrag der MA 50, Wiener Wohnbauforschung, über den Lichtverlust nach thermischen Sanierungen Experiment

29 qualitative Raum wahrnehmung Umfrage im Zuge einer Forschungsarbeit Im Auftrag der MA 50, Wiener Wohnbauforschung, über den Lichtverlust nach thermischen Sanierungen TQ Reduktion nach Sanierung: ~21% Verzicht auf jedes 5. Fenster Experiment

30 qualitative Raum wahrnehmung 50 Abbildungen von Wohnräumen Experiment

31 Experiment qualitative Raum wahrnehmung

32 Experiment qualitative Raum wahrnehmung

33 Experiment qualitative Raum wahrnehmung

34 Experiment qualitative Raum wahrnehmung

35 qualitative Raum wahrnehmung Onlinebefragung Experiment

36 qualitative Raum wahrnehmung Onlinebefragung Webpage NÖN 120 TeilnehmerInnen Experiment

37 qualitative Raum wahrnehmung Experiment Auswertung der Befragung: Vergabe von Akzeptanzpunkten: sehr angenehm 2 Punkte eher angenehm 1 Punkt neutral 0 Punkte eher unangenehm 1 Punkt sehr unangenehm 2 Punkte Σ = Akzeptanz

38 qualitative Raum wahrnehmung Experiment Reihung der Ergebnisse: Vergabe von Akzeptanzpunkten: sehr angenehm 2 Punkte eher angenehm 1 Punkt neutral 0 Punkte eher unangenehm 1 Punkt sehr unangenehm 2 Punkte Σ = Akzeptanz

39 qualitative Raum wahrnehmung Auswertung der Ergebnisse: Farbhinterlegung Direktlichtdarstellung GELB Diffuslichtdarstellung GRAU Experiment

40 Experiment qualitative Raum wahrnehmung

41 Experiment qualitative Raum wahrnehmung

42 Experiment qualitative Raum wahrnehmung

43 Experiment qualitative Raum wahrnehmung

44 Direktlichtbetrachtungen Berücksichtigung der Raumorientierungen Planungsempfehlungen

45 Direktlichtbetrachtungen Berücksichtigung der Raumorientierungen Planungsempfehlungen

46 Direktlichtbetrachtungen Berücksichtigung der Raumorientierungen Orientierung, Größe und Position von Fassadenöffnungen Planungsempfehlungen

47 Direktlichtbetrachtungen Berücksichtigung der Raumorientierungen Orientierung, Größe und Position von Fassadenöffnungen Raumproportion Raumwidmung Möblierung u.v.m. Planungsempfehlungen

48 Gestaltungsstrategien Daniel Rybakken, Planungsempfehlungen

49 Gestaltungsstrategien Prof. Caroline Jäger, Vorlesung TLA 1, Modul 7, Licht in der europ. Architekturtradition Wien VII, Agentor-Werke in der Wimbergergasse,Stagl & Broadhag, Gestaltung von Raumgeometrien Überlegte Festlegung von Raumproportionen insbes. Raumhöhe und Raumtiefe Villa KBWW, MVRDV Architekten Planungsempfehlungen

50 Gestaltungsstrategien Form und Geometrie von Gebäudeöffnungen In der Sanierung Im Neubau Lernen aus der Architekturtradition Planungsempfehlungen EF Haus in Amsterdam Arch. Henri Borduin

51 Gestaltungsstrategien Direkt besonnbare Innenraumund Freibereiche mit geeigneten Funktionen Love House, Takeshi Hosaka Planungsempfehlungen

52 Gestaltungsstrategien Erich Bernard, BWM Architekten Direkt besonnbare Innenraumund Freibereiche mit geeigneten Funktionen Projektbezogene Auswahl von Verglasungstypen Planungsempfehlungen

53 Gestaltungsstrategien Glenn Murcutt, Boyds education center Sonnen und Blendschutzmaßnahmen ohne Beeinträchtigung des Außenraumbezugs Planungsempfehlungen

54 Gestaltungsstrategien Erforschung und Weiterentwicklung Überprüfung, Veranschaulichung und Optimierung von Lichteinträgen Planungsempfehlungen Heinz Svehla, TLA1 Modularbeit_6

55 Neue Möglichkeiten der Tageslichtplanung Gestaltungsstrategien

56 Neue Möglichkeiten der Tageslichtplanung Herzlichen Dank!