Rola światła naturalnego w biurowcach i metody jego wykorzystania. Ważne normy i parametry

Projektując budynek, w którym stawia się na jak najlepsze wykorzystanie naturalnego oświetlenia, trzeba wziąć pod uwagę wiele czynników – zarówno środowiskowych, jak i technicznych. Do pierwszej grupy należy zaliczyć m.in. strefę klimatyczną, ukształtowanie terenu czy liczbę dni słonecznych. Do drugiej zaś rozwiązania pomagające zarządzać ilością światła i ciepła docierającego do budynku, np. rodzaj fasady, szklenia oraz osłon przeciwsłonecznych.

Spis treści

1. Normy dotyczące projektowania
2. Światło i oświetlenie w miejscach pracy - przepisy
3. Geometria, usytuowanie budynku a oświetlenie budynku
4. Parametry szyb i przegród
5. Szklane elewacje, okna
6. Szklane dachy, świetliki

Ludzie spędzają w budynkach ok. 90% czasu, z czego 30% w ciągu dnia w miejscu pracy, jednak aż 47% pracowników biurowych nie ma dostępu do światła naturalnego. Badania przeprowadzone przez Healthy Homes Barometer potwierdzają korelację pomiędzy dostępem do światła dziennego a lepszą wydajnością pracowników. Poświadczają to również odpowiedzi respondentów uzyskane podczas badań YouGov, przeprowadzonych w 2018 roku. Aż 63% osób stwierdziło, że światło dzienne ma znaczący wpływ na ich produktywność.Oprócz oczywistych względów zdrowotnych trzeba też pamiętać o ekonomicznych – wydatki związane z zatrudnieniem stanowią ok. 90% kosztów operacyjnych firmy. Co za tym idzie, nawet stosunkowo niewielkie wahania w produktywności czy obecności pracowników mogą mieć duży wpływ na jej działalność. W związku z powyższym, zapewnienie pracownikom biurowym zdrowych środowisk pracy powinno być traktowane priorytetowo.

Normy dotyczące projektowania

Przed projektantami stoi trudne zadanie: stworzenie nowoczesnych, jasnych wnętrz z zachowaniem wysokich standardów i z uwzględnieniem szeregu kryteriów – od konstrukcyjnych przez funkcjonalne po ekonomiczne. To zagadnienie stało się prostsze, od kiedy pod koniec 2018 roku ukazała się norma EN 17037. Dotyczy ona światła dziennego w budynkach i jest pierwszą skoordynowaną normą o zasięgu europejskim. To kompleksowy zbiór wytycznych projektowych i ma zastosowanie do każdego typu budynku. Obejmuje 4 różne obszary projektowania:

1. dostarczenie światła dziennego (ang. Daylight provision) – polega na zapewnieniu wymaganych poziomów natężenia oświetlenia, które pozwala użytkownikom na swobodne wykonywanie zadań i determinuje wykorzystanie oświetlenia sztucznego. Oceny poziomu natężenia można dokonać przez modelowanie klimatyczne lub obliczenie współczynnika światła dziennego;
2. ocena widoku przez okna (ang. Assessment of the view of windows) – obejmuje ocenę szerokości i odległości widzenia oraz widoczne warstwy, takie jak niebo, krajobraz (naturalny/miejski), grunt. Widok powinien być postrzegany jako czysty, niezniekształcony i o naturalnych kolorach. Minimalne wymagania to widok z okna na odległość co najmniej 6 m, przynajmniej na jedną z wymienionych warstw krajobrazu;
3. dostęp do światła słonecznego (ang. Access sunlight) – jest bardzo ważnym czynnikiem wpływającym na komfort i zdrowie. Dzienne nasłonecznienie można ustalić za pomocą obliczeń lub wartości tabelarycznych, minimalna wartość to 1,5 h;
4. zapobieganie olśnieniu (ang. Prevention of glare) – polega na wyeliminowaniu prawdopodobieństwa jego wystąpienia, zwłaszcza tam, gdzie użytkownik nie może wybrać miejsca, w którym siedzi. W obliczeniach wykorzystywany jest współczynnik prawdopodobieństwa olśnienia światłem dziennym (DGP, ang. DaylightGlare Probability) lub standardowa tabela wartości materiałów przeciwsłonecznych.

Dla każdego z obszarów projektowania wyznaczono minimalne, średnie i wysokie standardy, a o wyborze jego poziomu decyduje użytkownik normy, adekwatnie do projektu i profilu użytkowego budynku. Jako minimalny standard dla natężenia światła przyjęto 300 lx, przy czym wartość tę na podstawie szeregu badań uważa się za wystarczającą do długotrwałej pracy biurowej, a prawdopodobieństwo włączenia światła sztucznego jest niskie. Równocześnie typowe poziomy projektowe dla oświetlenia sztucznego w biurowcach także oscylują w granicy 300 lx. Z punktu widzenia projektanta ważne jest zapewnienie balansu pomiędzy zużyciem energii a ilością dostarczonego światła naturalnego. Idealnie dopasowany do konstrukcji system przeszklenia wpływa na oszczędność energii elektrycznej. Optymalnie zaprojektowane wnętrze powinno jak najefektywniej wykorzystywać światło naturalne, ponieważ dzięki niemu można ograniczyć światło sztuczne, które odpowiada za ok. 25% energii zużywanej w biurze.

Energia słoneczna dogrzewa pomieszczenia, co w skrajnych przypadkach może prowadzić do dyskomfortu i przegrzania, a tym samym do podniesienia wydatków na wentylację i klimatyzację. W normie EN 17037 wskazano, w jaki sposób zwiększone straty ciepła przez wielkopowierzchniowe przeszklenia i zużycie energii na ogrzewanie oraz oświetlenie sztuczne mogą być równoważone przez zyski słoneczne.

Światło i oświetlenie w miejscach pracy - przepisy

W warunkach polskich obowiązek zapewnienia właściwego oświetlenia miejsc pracy spoczywa na pracodawcy. Przepisy prawne regulujące te kwestie znajdują się w normach:

• PN-EN 12665:2008 „Światło i oświetlenie. Podstawowe terminy oraz kryteria określania wymagań dotyczących oświetlenia”,
• PN-EN 12464-1:2011 „Światło i oświetlenie. Oświetlenie miejsc pracy. Część 1: Miejsca pracy we wnętrzach”.

Druga z wymienionych norm określa wymagania jakościowe i ilościowe dotyczące oświetlenia pomieszczeń i stanowisk pracy znajdujących się wewnątrz budynków. Zostały w niej sprecyzowane m.in. minimalne parametry natężenia światła na stanowisku pracy. Jego wartość podaje się w luksach, a do pomiaru wykorzystuje się luksomierze. Poziom natężenia oświetlenia i jego rozkład w polu zadania wzrokowego mają zasadniczy wpływ na szybkość oraz sposób realizacji zadań wzrokowych. Zgodnie z zapisami w normie średnie natężenie oświetlenia nie może być niższe od wartości eksploatacyjnych, które dla stanowisk pracy biurowej wynoszą:

• 200 lx – w archiwach, magazynach,
• 300 lx – na recepcjach, podczas segregowania dokumentów, kopiowania,
• 500 lx – na stanowiskach komputerowych, w pokojach spotkań, salach konferencyjnych, podczas pisania ręcznego, obsługiwania klawiatury, czytania, przetwarzania danych.

Oprócz natężenia oświetlenia ważny jest jego rozkład w polu zadania wzrokowego i jego otoczeniu, ponieważ wpływa on na to, jak szybko, bezpiecznie i wygodnie pracownik dostrzeże oraz wykona zadanie wzrokowe. Kolejnym parametrem definiowanym w normie jest luminacja, którą można z uproszczeniem określić przy pomocy współczynnika odbicia oraz natężenia oświetlenia na tej powierzchni. Zaleca się następujące zakresy współczynników odbicia:

• sufit: 0,6–0,9;
• ściany: 0,3–0,8;
• podłoga: 0,1–0,5;
• płaszczyzna pracy: 0,2–0,6.

Dobre praktyki projektowania dostępu światła naturalnego do wnętrz zostały ujęte w międzynarodowych certyfikatach zielonego budownictwa, takich jak LEED (ang. Leadership in Energy and Environmental Design), BREAAM (ang. Building Research Establishment Environmental Assessment Method) czy WELL.

• Certyfikat LEED - cel, wymagania, punktacja w certyfikacji budynków
• BREEAM vs LEED. Porównanie najbardziej popularnych systemów certyfikacji energetycznej

Certyfikaty te w ostatnich latach zyskały szczególne znaczenie na europejskim i polskim rynku nieruchomości, ponieważ potwierdzają wysoki performance ekologiczny obiektu oraz spełnienie najwyższych standardów jakościowych i środowiskowych. Wymienione certyfikaty sprecyzowały wymogi stawiane budynkom w zakresie dostępu do światła dziennego, a potwierdzenie wymagań jest możliwe po przeprowadzeniu symulacji obliczeniowych lub obliczeń rocznych na obiektach zamodelowanych w specjalistycznym oprogramowaniu. Ich wyniki mogą posłużyć do optymalizowania bryły/aranżacji/materiałów wykończeniowych oraz wskazania obszarów, gdzie poziom światła dziennego jest niewystarczający.

Za spełnienie wymogów przyznaje się punkty, a ich suma decyduje o poziomie uzyskanego certyfikatu. Podobne symulacje można przeprowadzić dla każdego budynku, sprawdzając w ten sposób, czy spełniają one wysokie standardy ujęte w certyfikatach. Dostępne są również darmowe oprogramowania umożliwiające uproszczone obliczenia, które z powodzeniem można wykorzystać do optymalizacji projektowych.

Geometria, usytuowanie budynku a oświetlenie budynku

Budynki biurowe zwykle skupione są w biznesowych dzielnicach miast, wśród gęstej, wysokiej zabudowy. Wspólnym celem osób zaangażowanych w proces budowy będzie maksymalne wykorzystanie potencjału działki oraz wpasowanie się w miejscowy plan zagospodarowania przestrzennego i otoczenia. Z punktu widzenia optymalnego spożytkowania światła naturalnego najważniejsze znaczenie będzie miała orientacja budynku:

• od strony południowej można spodziewać się znacznych zysków słonecznych,
• od północnej do wnętrz może nie docierać wystarczająca ilość światła.

Należy również zwrócić uwagę na sąsiednie budynki, które mogą powodować niepotrzebne zacienienie. Znaczenie ma także bryła budynku, ponieważ łatwiej doświetlić obiekt o prostokątnym, regularnym kształcie niż o skomplikowanej geometrii. W miejscach trudno dostępnych dobrze sprawdzają się świetliki, szklane dachy lub przeszklone dziedzińce wewnętrzne.

Kolejnym czynnikiem, który w dość prosty sposób umożliwia dostosowanie wnętrza nawet skomplikowanej bryły, jest aranżacja. Oczywiście pomieszczenia biurowe i miejsca przeznaczone do stałej pracy ludzi powinny zostać zlokalizowane blisko fasady, tak aby wykorzystać potencjał, jaki niesie ze sobą naturalne światło. Do miejsc zlokalizowanych dalej od okien, np. zamkniętych salek konferencyjnych, można doprowadzić światło poprzez zastosowanie szklanych ścianek działowych. Poniżej przedstawiono porównanie wyników natężenia światła dziennego, zmierzonego w budynku biurowym dla aranżacji otwartej i zamkniętej.

Parametry szyb i przegród

Aby w pełni wykorzystać potencjał światła dziennego, trzeba poznać parametry charakteryzujące szyby i ich znaczenie – są one wymienione w deklaracjach właściwości użytkowych szyb lub okien. Dokumenty te wydaje się dla wszystkich produktów, które przeszły badania potwierdzające zgodność z normą lub mają krajową bądź europejską ocenę techniczną. Jednym z najważniejszych parametrów jest współczynnik przenikania ciepła U. W kartach materiałowych okien znajdują się trzy wartości współczynników U_w, U_f i U_g, odpowiadające kolejno współczynnikom przenikania ciepła dla całego okna, profilu (ramy okiennej) oraz szyby.

Według nowych warunków technicznych z 2021 roku maksymalna wartość współczynnika przenikania ciepła dla okna fasadowego to 0,9 W/(m²K), a dla dachowego 1,1 W/(m²K). Parametr ten określa ilość ciepła przenikającego przez 1 m² okna przy różnicy temperatur na zewnątrz i wewnątrz pomieszczenia wynoszącej 1 K (1 K = 1°C). Zatem niższa wartość współczynnika U oznacza lepsze właściwości termiczne okna i mniejsze straty energii. Wartość U_w zależy od parametrów szyby i ramy okiennej oraz stosunku ich powierzchni. Znaczenie ma również ramka międzyszybowa (międzydystansowa), czyli element znajdujący się pomiędzy taflami szkła szyby zespolonej. W zależności od materiału, z jakiego jest wykonana, może ona znacznie ograniczyć ucieczkę ciepła. Ponieważ aluminium powoduje największe straty cieplne, najlepiej zastosować inny materiał, np. tworzywo sztuczne, które może znacznie poprawić komfort cieplny, a tym samym wynikową wartość współczynnika U_w okna. Kolejnym parametrem, jaki należy wziąć pod uwagę przy wyborze okien, jest parametr g – współczynnik przenikalności energii całkowitej szyby (wyrażany w procentach). Jego wartość decyduje o tym, ile energii słonecznej przenika przez szybę do pomieszczenia. Przy wielkopowierzchniowych przeszkleniach ma to bardzo duże znaczenie ze względu na bilans energetyczny. Zwykle wartość współczynnika g oscyluje w granicy 50–55%. 

Istnieją również rozwiązania pozwalające na redukcję tego parametru, polegające na zastosowaniu tzw. szyb przeciwsłonecznych. Dzielą się one na dwa podstawowe rodzaje:

• szyby absorbcyjne - są barwione w masie, która w zależności od koloru pochłania ok. 50% energii promieniowania słonecznego, przez co znacznie się nagrzewa. Następnie rozprasza energię, kierując ją na zewnątrz. Jest to skuteczne rozwiązanie, zapobiegające przegrzewaniu pomieszczeń, najczęściej zlokalizowanych od strony południowej. Szyby absorbcyjne zwykle barwione są na kolor niebieski, zielony lub szary.
• szyby refleksyjne - powleka się warstwą tlenków metali lub metali szlachetnych, która odbija światło widzialne jak też ciepło słoneczne, skutecznie zapobiegając przegrzewaniu się wnętrza. Lekko zaciemniają wnętrze, a w zależności od zastosowanej powłoki i wybarwienia szkła można nadać fasadzie imponujący efekt lustrzanego odbicia.

Alternatywą dla szklenia refleksyjnego jest szklenie selektywne, również powlekane warstwą tlenków metali, ale wpuszczające do wnętrza więcej światła. Szklenie to zapewnia niski stopień przepuszczalności energii słonecznej i wysoką przepuszczalność światła. Kolejny istotny parametr to współczynnik przepuszczalności światła Lt. Wyrażany jest w procentach i informuje o tym, ile światła zostaje przepuszczone przez szybę do wnętrza. Zatem im wyższa wartość, tym więcej światła naturalnego w pomieszczeniu. Zwykle jego wartość wynos i ok.70%. Poniżej porównanie wyników natężenia światła dziennego, zmierzonego w budynku biurowym przy zmienionej wartości parametru Lt. Kolejnym parametrem charakteryzującym szyby jest współczynnik izolacyjności akustycznej Rw. Wyraża się go w decybelach, a informuje o tym, w jakim stopniu okno będzie chronić przed hałasem z zewnątrz. Im wyższa wartość, tym lepiej, ponieważ oznacza to, że okno zatrzyma więcej dźwięków. Standardowo wartość parametru Rw wynosi ok. 30 dB. Na rynku dostępne są również okna o podwyższonym poziomie redukcji hałasu nawet do 48 dB.

Zastosowanie takich szyb może mieć szczególne znacznie dla okien wychodzących na ruchliwe ulice, tory tramwajowe itp. Izolacyjność dźwiękową można poprawić m.in. poprzez zwiększenie grubości tafli, użycie szyb laminowanych folią dźwiękochłonną lub folią PVB.

Istnieje również bliska relacja pomiędzy padającymi promieniami słonecznymi a kolorami wykorzystanych materiałów budowlanych oraz wykończeniowych w pomieszczeniach. Szczególnie ważny jest współczynnik odbicia światła HBW. Przypisuje się go kolorom, mierzy jasność odcienia koloru i wskazuje ilość energii w zakresie światła widzialnego odbijanego przez przegrodę. Współczynnik stanowi odchylenie koloru od punktu czarnego (HBW = 0) do białego (HBW = 100). Różnica 100% HBW to ilość światła, która zostanie pochłonięta przez daną barwę. Im ciemniejsza, tym bardziej nagrzewa się w wyniku padania promieni słonecznych, dlatego powierzchnia taka narażona jest na większe różnice temperatur, np. elewacja w kolorze czarnym w słoneczny dzień musi wytrzymać temperaturę ok. 80°C. Materiały izolacyjne nie są w stanie rozproszyć pochłoniętej energii, co może prowadzić do dużych naprężeń termicznych. Z tego powodu zaleca się wykorzystywanie jasnych kolorów o współczynniku HBW <20.

Szklane elewacje, okna

Szklane elewacje to najczęstsze rozwiązanie stosowane w biurowcach. Zapewniają one dostęp do światła naturalnego, nadają biurowcom ekskluzywnego, dynamicznego wyglądu. Takie elewacje gwarantują wysoki komfort użytkowania, są bardzo trwałe i nie wymagają większych nakładów konserwacyjnych. Nowoczesne projekty często łączą szklane tafle z różnymi materiałami naturalnymi, np. cegłą klinkierową, drewnianymi panelami, granitem. Najczęściej jednak wykorzystuje się spandrele, czyli emaliowane szkoło elewacyjne, zakrywające elementy konstrukcyjne budynku. Zazwyczaj umieszcza się je jako poziome pasy oddzielające kolejne kondygnacje. W spandrele wtapia się farbę ceramiczną, a kolor można dobrać tak, aby stanowił uzupełnienie lub kontrastował z wyglądem szkła przeziernego. W zależności od dobranej konstrukcji oraz rodzaju szkła można dowolnie kształtować najważniejsze parametry przegrody, takie jak izolacyjność cieplna, ochrona przed przegrzewaniem czy hałasem.

Właściwości można dowolnie optymalizować i rozróżniać, np. ze względu na strony świata (zyski słoneczne od strony południowej będą znacznie większe niż od północnej, od południa może też pojawić się problem z przegrzewaniem pomieszczeń w upalne dni). Ilość wpadających promieni słonecznych da się regulować przez zastosowanie automatycznego lub sterowanego ręcznie zacienienia, które można zmieniać w reakcji na zmieniające się warunki zewnętrzne. Dostępne są też specjalne elementy zewnętrzne, np. łamacze światła czy żaluzje fasadowe (stałe lub ruchome). Głównym zadaniem żaluzji jest osłona przeciwsłoneczna i energetyczne bilansowanie budynku, funkcją drugorzędną zaś – względy estetyczne i możliwość kształtowania wyglądu fasady.

Szklane dachy, świetliki

Wykorzystanie szklanych dachów i świetlików to świetne rozwiązanie, które pozwala na wprowadzenie światła naturalnego do trudno dostępnych miejsc i równocześnie umożliwia nadanie budynkowi nowoczesnego designu. Według badania CIE Standard General Sky świetliki dachowe zapewniają do trzech razy więcej światła naturalnego niż okna elewacyjne w zależności od orientacji budynku i spadku dachu.

Podczas gdy europejskie standardy wymagają w przestrzeniach biurowych natężenia światła na poziomie 300 lx, świetlik jest w stanie zapewnić nawet 10 000 lx od bezpośrednio padającego słońca. Przez zastosowanie systemów zaciemniających i przewietrzających można płynnie regulować dopływ światła naturalnego i ciepła. Do popularnych rozwiązań należą:

• szyba z folią odbijającą światło,
• przeszklenie załamujące promienie słoneczne,
• sterowane elektrycznie rolety wewnętrzne lub zewnętrzne.

Rynek oferuje również całą gamę inteligentnych urządzeń sterujących, takich jak zegary, czujki słoneczne, temperatury czy natężenia światła. Zadaniem tych urządzeń jest dostosowanie dopływu promieni słonecznych i ciepła słonecznego do budynku w zależności od potrzeb. Użycie profili aluminiowych i optymalizacja łączeń wpływają nie tylko na nowoczesny i lekki wygląd dachu, ale również na doskonałą izolacyjność cieplną. W konstrukcjach szklanych często montuje się ruchome skrzydła przewietrzające i odpowietrzające, które zapewniają regularny przepływ świeżego powietrza. Wykorzystanie wentylacji naturalnej pozwala na optymalizację kosztów związanych z mniejszym zużyciem klimatyzacji.

Dachy szklane można również wyposażyć w klapy z funkcją oddymiania w przypadku pożaru, a także w systemy fotowoltaiczne, które przetwarzają promienie słoneczne w energię elektryczną.

Aby zaprojektowane szklane fasady, dachy i okna jak najlepiej spełniały swoje funkcje, ważny jest profesjonalny montaż, regularne przeglądy i utrzymanie szklenia w czystości. Na rynku dostępne są dziesiątki nowoczesnych rozwiązań z możliwościami dostosowania do indywidualnych potrzeb klienta i budynku.