شاخص‌های روشنایی

در صنعت ساختمان نورپردازی به عنوان یکی از عناصر کلیدی در طراحی پایدار هدف قرار داده شده و امروزه یک جنبش جهانی برای توسعه و پیاده سازی راه حل های نورپردازی که مقررات زیست ‌محیطی را رواج می‌دهد به وجود آمده است. به همین دلیل طراحی ساختمان بر اساس استفاده حداکثری از نور روز، خود نوعی طراحی سبز محسوب شده و یکی از ابزارهای پایداری است. نور روز باید منبع اصلی در سامانه های نورپردازی داخلی در نظر گرفته شود. طراحی معماری در راستای به حداکثر رساندن نور طبیعی در یک ساختمان و در عین حال حفظ و تنظیم دمای محیط داخلی و کاهش تابش مستقیم همواره باید مد نظر قرار گیرد.

برداشت‌های نور روز بخشی جدا نشدنی از طراحی پایدار است زیرا با به کارگیری مناسب نور روز در محیط داخل، استفاده از نور مصنوعی و در نتیجه مصرف انرژی کاهش می‌یابد. شاخص‌های نور روز ابزاری هستند برای بهینه نمودن سیستم نور روز و در واقع به طراح کمک میکنند که بتواند نور طبیعی مفید و قابل استفاده را در فضای مورد نظر تخمین بزند. برای محاسبه نور طبیعی در داخل فضا، تخمین نور آسمان یک عامل بسیار مهم و تاثیرگذار است. دو رویکرد برای محاسبه نور روز در ساختمان وجود دارد:

1. استفاده از روش‌های معمول محاسباتی مانند محاسبه عامل نور روز (DF)
2. استفاده از روشهای محاسباتی پویای نور روز مانند شاخص‌های “نور روز مفید(UDI)”، “استقلال فضایی نور روز(sDA)”، و “تابش مستقیم سالانه(ASE)”.

نابیل و ماردالجویک، 2006، مقایسه‌ای بین نتایج حاصل از عامل نور روز (DF) و شاخص‌های پویای نور روز مانند شاخص روشنایی مفید نور روز (UDI)، در یک مدل فرضی، انجام دادند و در نهایت پیشنهاد کردند که از شاخص‌های پویای نور روز به جای محاسبه عامل نور روز در ساختمان‌ها استفاده شود. نتایج مطالعات آنها نشان داد که برخلاف آنالیزهای DF ، در یک آنالیز اقلیم-محور عوامل مهمی مانند واقعیت، تغییر وضعیت آسمان، تغییر شرایط خورشید، و پیش‌بینی نور روز ساعتی در نظر گرفته می‌شود. برای مثال . حیدری، به خوبی توضیح میدهد که چگونه شرایط آسمان ابری با نوری که توزیع یکنواخت دارد در محاسبات عامل نور روز وارد می‌شود. اما در محاسبات شاخص‌های پویایی که نابیل و ماردالجویک پیشنهاد می‌دهند، از داده‌های اقلیمی استفاده میشود و بنابراین میتوان آنالیزهای ساعتی در طول سال انجام داد و تاثیر شرایط واقعی آسمان را در هر ساعت در محاسبات مشاهده نمود. از سوی دیگر رویکرد سنتی DF تنها یک عدد به صورت درصد و برای هر نقطه مفروض در فضا تولید می‌کند. در حالی که یک آنالیز اقلیم-محور، قادر است مقادیر روشنایی نور روز برای هر نقطه مفروض را برای هر ساعت روز در سال پیش‌بینی کند. برای مثال شاخص UDI نه تنها محدوده روشنایی مفید را محاسبه میکند، بلکه محدوده‌ای از فضا که در طول سال بیش از حد تابش دریافت میکند و ممکن است منجر به عدم آسایش حرارتی و آسایش بصری شود، را نیز نشان می‌دهد. در آنالیزهای معمول نور روز و نفوذ تابش، دو پدیده با کمک روش‌های ایده‌آل (مانند عامل نور روز) و کیفی (مانند الگوی سایه‌اندازی) به صورت مستقل بررسی می‌شوند. اما شاخص UDI یک روش ساده کمی را ارائه می‌دهد که در آن با کمک یک ارزیابی شماتیک، مقادیر نور روز و میزان در معرض بودن تابش فضای داخل به صورت عددی محاسبه می‌شوند.

1- شاخص عامل نور روز (DF)

عامل نور روز (DF) غالب‌ترین شاخصی است که به دلیل سادگی‌اش بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرد. عامل نور روز در واقع نسبت روشنایی محیط داخل به روشنایی محیط خارج در شرایط آسمان تمام ابری میباشد که با درصد بیان می‌شود. چنین مقداری تعیین کننده نوریست که به نقطه ای مفروض در سطح صفحه افقی در فضای داخلی میرسد. فرمول زیر روش محاسبه عامل نور روز را نشان می‌دهد.

DF = (Einrenal / Eexternal ) * 100%

در این فرمول منظور از Einrenal، روشنایی افقی نقطه مفروض (بر حسب لوکس) در محیط داخلی، و منظور از Eexternal در واقع روشنایی افقی محیط بیرون (بر حسب لوکس) می‌باشد.

2- شاخص روشنایی مفید نور روز (UDI)

شاخص UDI یکی از سه شاخص پویای نور روز است. شاخص‌های پویای نور روز اقلیم-محور هستند و با استفاده از داده‌های اقلیمی، نتایج سالانه ساعتی تولید می‌کنند (عملکرد ساعتی نور روز در طول سال). در واقع از آنجا که شاخص‌های پویای نور روز، داده‌های اقلیمی را در روند محاسبات در نظر می‌گیرند، بسیار دقیق و قابل اطمینان هستند.

شاخص UDI سطح روشنایی نور روز را به گونه‌ای اندازه می‌گیرد که برای ساکنین “مفید” تلقی شود. روشنایی نور روز در چهار محدوده تقسیم‌بندی می‌شوند که عبارت هستند از:

• روشنایی نور روز کمتر از 100 لوکس، که برای ساکنین ناکافی است.
• روشنایی نور روز بین 100 تا 500 لوکس، که محدوده مناسبی محسوب می‌شود هرچند که برای برخی کارهای خاص نیاز به روشنایی مصنوعی می‌باشد.
• روشنایی نور روز بین 500 تا 2000 لوکس، که محدوده مطلوب روشنایی برای ساکنین در نظر گرفته می‌شود.
• روشنایی نور روز بیش از 2000 لوکس، که دیگر “مفید” تلقی نمی‌شود و احتمال اینکه عدم آسایش بصری و همچنین عدم آسایش حرارتی ایجاد شود بسیار زیاد است.

بر اساس این تقسیم‌بندی، روشنایی طبیعی بین محدوده 100 تا 2000 لوکس محدوده “مفید” برای فضا محسوب می‌شود. شاخص UDI کیفیت روشنایی یک فضا را تعریف میکند که در آن فضا نه تاریک است و نه خیلی روشن و خیره کننده. به همین دلیل این شاخص در بسیاری از مقالات مورد استفاده قرار گرفته است و به این صورت تعریف می‌شود: درصدی از اوقات سال (در هنگام روز) که میزان روشنایی فضا در بازه مفید و قابل قبول 100 تا 2000 لوکس باشد. توصیه می‌شود که حداقل 80% مساحت فضا نور طبیعی در این محدوده را دریافت نماید. شکل 1مثالی از شبیه‌سازی یک اتاق است که 81% از مساحت آن به مدت حداقل 50% از زمان اشغال فضا در طول سال، نور “مفید” دریافت می‌کند. بر اساس شاخص UDI این اتاق در طول سال نور کافی دریافت می‌کند. مطالعات بیشتر در مورد اینکه کدام نواحی اتاق روشنایی بیش از حد و یا بسیار کم دریافت می‌کنند می‌تواند انجام شود.

محدوده‌ای از فضا که در طول سال در 50% زمان اشغال فضا، بین 100 تا 2000 لوکس نور دریافت می‌کند با رنگ زرد نشان داده است که در این شکل برابر با 81% می‌باشد.

3-  شاخص استقلال فضایی نور روز (sDA)

شاخص استقلال نور روز (sDA) یکی دیگر از شاخص‌های پویای نور روز است و مساحتی از اتاق را اندازه‌گیری می‌کند که نور کافی دریافت می‌کند. به عبارت بهتر این شاخص درصدی از مساحت فضا را محاسبه می‌کند که در حداقل 50% از اوقات اشغال فضا (در بازه هشت صبح تا شش بعد از ظهر)، نوری بیش از 300 لوکس بر روی صفحه کار دریافت می‌کند. آنچه شاخص sDA را از سایر شاخص‌های پویای نور روز تفکیک می‌کند، مشارکت سایبان‌های کرکره‌ای در دریافت تابش است. این کرکره‌ها بر اساس میزان دریافت تابش مستقیمی که فضا دریافت می‌کند باز و بسته میشوند. بر اساس گزارش LM-83-12، چنانچه بیش از 2% مساحت فضا تابش مستقیم (1000 لوکس) دریافت کند، این کرکره‌ها بسته می‌شوند که تحت قانون 2% شناخته شده است. مقدار sDA قابل قبول در LEED 4.1 باید بیش از 40% مساحت فضا و در LEED 4 بیش از 55% باشد. در تصویر زیر 2، 65% از مساحت فضا، در حداقل 50% اوقات اشغال فضا، بیش از 300 لوکس نور روز دریافت می‌کند. این نشان می‌دهد که ساکنین در این اتاق در طول سال نور کافی دریافت می‌کنند و با حداقل مقدار sDA مورد قبول در LEED مطابقت دارد.

65% از مساحت فضا، در حداقل 50% اوقات اشغال فضا، بیش از 300 لوکس نور روز دریافت می‌کند.

4-  شاخص تابش مستقیم سالانه (ASE)

شاخص ASE یکی دیگر از شاخص‌های پویای نور روز است و درصدی از مساحت نما را محاسبه می‌کند که دریافت نور بسیار زیادی دارد. در واقع ASE با ایجاد یک آستانه بالا برای دریافت سطحی از نور روز مفید در ساختمان، شاخص sDA را تکمیل میکند زیرا همانطور که توضیح داده شد، شاخص sDA سطح روشنایی 300 لوکس به بالا (مینیمم سطح روشنایی مورد نیاز) را اندازه می‌گیرد و بنابراین ممکن است فضا روشنایی بیش از حد دریافت کند و خطر ایجاد خیرگی و پدیده گرمای بیش از حد روی دهد. شاخص ASE نشان دهنده درصدی از مساحت فضا است که بیش از 1000 لوکس تابش مستقیم در بیش از 250 ساعت از سال (در مواقع اشغال فضا) دریافت میکند. با این شاخص میتوان میزان ریسک نفوذ بیش از حد تابش مستقیم و وقوع خطر خیرگی را بررسی نمود. برای طراحی یک فضای کارآمد به لحاظ مباحث روشنایی، دستیابی به مقادیر sDA بالا و ASE پایین، می‌تواند ضامن دریافت مقادیر مناسبی نور روز مفید و در نتیجه کاهش همزمان میزان استفاده از نور مصنوعی و سیستم تهویه مطبوع باشد. بر اساس LEED v4 ، مقدار ASE باید کمتر از 10% باشد و به این معنی است که کمتر از 10% از مساحت فضا مجاز به دریافت تابش مستقیمی بیش از 1000 لوکس، در بیش از 250 ساعت از اوقات اشغال فضا، می‌باشد. برای دریافت نشان LEED v4 نیاز است که همزمان sDA بیشتر از 55% و ASE کمتر از 10% باشد.

تصویر زیر همان اتاق را نشان می‌دهد که مقدار ASE آن برابر با 8% است. به عبارتی 8% از مساحت این اتاق در بیش از 250 ساعت از زمان اشغال فضا، نور روزی بیشتر از 1000 لوکس دریافت می‌کند که این می‌تواند موجب عدم آسایش حرارتی شود و پدیده خیرگی را نیز ایجاد نماید.

مقدار 8% از مساحت این اتاق در بیش از 250 ساعت از زمان اشغال فضا، نور روزی بیشتر از 1000 لوکس دریافت می‌کند.

با توجه به اینکه شاخص‌های sDA و ASE باید با هم مورد استفاده قرار گیرند، و از سوی دیگر sDA نشان دهنده حد پایین و ASE نشان دهنده حد بالای روشنایی است، بنابراین در این اتاق اگر مقدار ASE را از مقدار sDA کم کنیم درصدی از مساحت اتاق به دست می‌آید که نور روز کافی و مفید دریافت میکند. این تصویر، محدوده دریافت نور کافی و مفید را در اتاق نشان می‌دهد.