Computational Complexity in Architectural Design: The Case of New Dynamic Criteria in Daylight

Α. Τσαγκρασούλης Τµ. Αρχιτεκτόνων Μηχανικών , Πανεπιστήµιο Θεσσαλίας

'Ancient Lights' signs below windows in Clerkenwell, London. Taken from the Grand Priory Church of the Order of St John, St. John's Square, on 16th September 2006 by Mike Newman.

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Seattle_-_Dexter_Horton_%26_Co._Bankers_interior_-_1900.jpg

1900

Αποδοτικό σύστηµα φωτισµού

Ανοικτή κάτοψη

Mικρά καθαρά ύψη

1952

ΘΕΑ

ΕΠΑΡΚΕΙΑ ΦΩΤΙΣΜΟΥ

ΘΑΜΒΩΣΗ ΕΞΟΙΚΟΝΟΜΗΣΗ

ΣΥΓΧΡΟΝΕΣ ΑΠΑΙΤΗΣΕΙΣ

ΕΚΘΕΣΗ ΣΕ ΦΩΣ

ΙΣΟΡΡΟΠΗΜΕΝΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΛΑΜΠΡΟΤΗΤΩΝ

ΕΛΕΓΧΟΣ ΗΛΙΑΚΩΝ ΚΕΡΔΩΝ

Μ. Κostantoglou, A. Kontadakis, A. Tsangrassoulis, “Counterbalancing daylighting, glare and view out: the role of an external shading system control strategy” , CLIMA 2013 Congress, Prague, 15-18/6/2013.

Prim

ary e

nerg

y cso

nsum

ptio

n (k

wh/m

2)

ΣΥΓΧΡΟΝΕΣ ΑΠΑΙΤΗΣΕΙΣ

Ο τρόπος που αντιµετωπίζεται ο φυσικός φωτισµός στους κτηριοδοµικούς κανονισµούς είναι σχετικά απλός

http://www.davidstrong.co.uk/web_documents/international_daylight_survey_results_v.1.xlsx

•  Η βασική απαίτηση είναι το ποσοστό του ανοίγµατος σε σχέση µε το δάπεδο είτε σε σχέση µε την πρόσοψη.

•  Σε µερικές περιπτώσεις απαιτείται και κάποιος υπολογισµός.

Οι πηγές φυσικού φωτισµού είναι µεταβλητές και αυτό δηµιουργεί πρόβληµα στους υπολογισµούς. Ετσι οι πρωτες προσπάθειες βασίζονται σε γεωµετρικά κριτήρια τα οποία χρησιµοποιούνται µέχρι και σήµερα.

TOMH

KATOΨΗ

ΝO-SKY LINE

Energy code & standard. Daylight area depth calculation.

CIBSE LG-10 Droom/Wroom + Droom/Hwindow head height ≤ 2/(1 – Rmean)

EN 15193-1 Ddaylit = 2.5 × (Hwindow head height – Htask area height) CA Title-24 (Primary) Ddaylit, primary sidelit = 1.0 × Hwindow head height (Secondary) Ddaylit, secondary sidelit = 2.0 × Hwindow head height ASHRAE 90.1 Ddaylit = 1.0 × Hwindow head height ASHRAE 189.1 (South) Ddaylit = 1.5 × Hwindow head height (North) Ddaylit = 1.75 × Hwindow head height IECC 4.572 m Rmean:: the average reflectance of surfaces in the rear half of the room;

Hwindow head height :: The height from floor to window lintel; Htask area height:: The height of the reference plane.

ΠΕΡΙΜΕΤΡΙΚΗ ΖΩΝΗ

A. Kontadakis, A.Tsangrassoulis, and A. Roetzel, “Defining the Boundaries of Daylight Penetration. The use of dynamic and static daylight methods to predict the daylit zone within sidelit spaces, a comparison.”, BalkanLight 2015

Min. 2.5 m | Max. 5.4 m Min. 2.5 m | Max. 5.8 m Min. 2.5 m | Max. 5.8 m

ΠΕΡΙΜΕΤΡΙΚΗ ΖΩΝΗ

A. Kontadakis, A.Tsangrassoulis, and A. Roetzel, “Defining the Boundaries of Daylight Penetration. The use of dynamic and static daylight methods to predict the daylit zone within sidelit spaces, a comparison.”, BalkanLight 2015

ΣΤΑΤΙΚΟΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ: ΠΑΡΑΓΟΝΤΑΣ ΦΥΣΙΚΟΥ ΦΩΤΙΣΜΟΥ

Οµοιόµορφη κατανοµή

Νεφοσκεπής κατα CIE κατανοµή (Type 16)

Eint

Eext

Eint DF= %

Eext

ΣΤΑΤΙΚΟΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ: ΠΑΡΑΓΟΝΤΑΣ ΦΥΣΙΚΟΥ ΦΩΤΙΣΜΟΥ

Homoi;omor(katanomhmasboleveigia4oiypologismoieinaieykoloiNavalofotoapografoeikonikoergaleio

ΣΤΑΤΙΚΟΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ: ΠΑΡΑΓΟΝΤΑΣ ΦΥΣΙΚΟΥ ΦΩΤΙΣΜΟΥ –ΓΡΑΦΟΕΙΚΟΚΟΝΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ

Χρησιµοποιείται στην τοµή Χρησιµοποιείται στην κάτοψη

Ο υπολογισµός αφορά ένα σηµείο

ΣΤΑΤΙΚΟΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ: ΠΑΡΑΓΟΝΤΑΣ ΦΥΣΙΚΟΥ ΦΩΤΙΣΜΟΥ (DF)

BS 8206-2:2008 “Lighting for buildings – Part 2: Code of practice for daylighting

Οριζόντιος διάχυτος φωτισµός (lux)

% χρόνου

8:00-17:00

Ηµέρα

Ein*100 Ehor=

f*DF

2% 0.97

300 lux

ΣΤΑΤΙΚΟΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ: ΠΑΡΑΓΟΝΤΑΣ ΦΥΣΙΚΟΥ ΦΩΤΙΣΜΟΥ

South orientation

A.Tsangrassoulis, L. Doulos, F. Topalis, A. Roetzel, “Comparison of lighting energy savings methodologies due to daylight with EN 15193”, Passive and Low Energy Cooling for the Built Environment, 3rd Int. Conference, 2010

ΣΤΑΤΙΚΟΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ: ΠΑΡΑΓΟΝΤΑΣ ΦΥΣΙΚΟΥ ΦΩΤΙΣΜΟΥ

South orientation

A.Tsangrassoulis, L. Doulos, F. Topalis, A. Roetzel, “Comparison of lighting energy savings methodologies due to daylight with EN 15193”, Passive and Low Energy Cooling for the Built Environment, 3rd Int. Conference, 2010

ΣΤΑΤΙΚΟΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ: ΠΑΡΑΓΟΝΤΑΣ ΦΥΣΙΚΟΥ ΦΩΤΙΣΜΟΥ

ΔΥΝΑΜΙΚΟΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ

E= dci*Li*ΔΩi Σ i=1

N

Tµήµα ουρανού

ΔΩ

P.R. Tregenza, Ι.Μ. Waters, “Daylight Coefficients”, Lighting Research and Technology vol. 15 , 1983

ΔΥΝΑΜΙΚΟΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ

DAYSIM / Radiance three phase method

Αθήνα

Θεσσαλονίκη

Ανδραβίδα

http://apps1.eere.energy.gov/buildings/energyplus/cfm/weather_data3.cfm/region=6_europe_wmo_region_6/country=GRC/cname=Greece

KΛΙΜΑΤΙΚΑ ΑΡΧΕΙΑ

ΔΥΝΑΜΙΚΟΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ: ΑΥΤΟΝΟΜΙΑ ΦΩΤΙΣΜΟΥ (DA, Daylight Autonomy)

DA = 48%

To όριο αυτό µπορεί να τροποποιηθεί π.χ. 300 lux

To ποσοστό εξαρτάται απο το ωράριο λειοτυργίας π.χ. 8:00-18:00

Mια παραλλαγή είναι η cDA (continuous DA)

Υπάρχει συζήτηση για το άνω όριο (p.x. 3000 lux)

Σε µερικές περιπτώσεις το κατώτερο όριο µπορεί να αυξηθεί (π.χ. σχολεία σε 300 lux)

Education Funding Agency daylight design guide, Departmental advice Version 2: January 2014

ΔΥΝΑΜΙΚΟΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ: Χρησιµος Φωτισµός (UDI, Useful Daylight Illuminance)

82%> 500 lux

61%> 500 lux

27%> 500 lux

ΠΩΣ ΕΡΜΗΝΕΥΟΝΤΑΙ ΤΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ;

%

ΠΩΣ ΕΡΜΗΝΕΥΟΝΤΑΙ ΤΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ;

Υπολoγίζεται η έκταση του χώρου στην οποία τα σηµεία έχουν DA > 50%

O χρόνος υπολογισµού έχει µειωθεί

sDA, spatial Daylight Autonomy

ASE, Annual Sunlight Exposure

sDA300, 50% > 55% ή >75%

ΑSE1000, 250 <10%

LM 83-12: Approved Method: IES Spatial Daylight Autonomy (sDA) and Annual Sunlight Exposure (ASE)

300 lux Ποσοστό χρόνου 8:00-18:00

Ποσοστό χώρου (απαιτήσεις LEED v.4)

1000 lux µόνο απο ήλιο Ώρες /έτος

ΔΥΝΑΜΙΚΟΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ: Χωρική Αυτονοµία Φωτισµού (sDA), Ετήσιος ηλιασµός (ASE)

Aπαιτήσεις LEED v.4)

Καθορισµός γεωµετρίας

Προσοµοίωση µόνο µε άµεσο ηλιακό φωτισµό

(χωρίς ουρανό)

Καθορισµός πλέγµατος υπολογισµού

Προσοµοίωση ΧΩΡΙΣ εσωτερική σκίαση

Προσοµοίωση ΜΕ εσωτερική σκίαση

Υπολογισμόςτωνωρώνπουη

σκίασηενεργοποιείται (>2% τωνσημείωνυπολογισμούμεάμεσοηλ.φωτισμό >1000

lux)

Υπολογισµός sDA Υπολογισµός ASE

TΡΟΠΟΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΥ

ΔΥΝΑΜΙΚΟΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ: Χωρική Αυτονοµία Φωτισµού (sDA), Ετήσιος ηλιασµός (ASE)

Ειναι > 55% του χώρου; Ειναι < 10% του χώρου;

250

sDA ΑSE

ΔΥΝΑΜΙΚΟΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ: Χωρική Αυτονοµία Φωτισµού (sDA), Ετήσιος ηλιασµός (ASE)

46.53

93.22

56.3747.74

57.27

73.37 56.37

91.19 7.98

11.08

2.59 3.99

5.595.32

7.46

18.33

20

6.23

13.81 4.97

13.81

3.70 4.23

4.04

11.55

40 60 80 Window to Wall Ratio (WWR, %)

sDA300lx, 50%hrs ASE1000lx, 250hrs DFavg.

Day

light

Met

rics

(sD

A-A

SE-D

F, %

) Energy D

emand (kW

h/m2)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 10

20

30

40

60

70

90

100

110

120

50

80

DAYLIGHT METRICS vs ENERGY DEMAND

34.38

4.17 2.11

65.63

17.71 4.33

79.17

23.96 6.58

83.33

23.96 6.67

Reference case: Unshaded Office Room (w. 3.4m, l. 5.4m, h. 2.7m) Roller case: Unshaded Office Room + {movable Roller (according to LM-83)}.

ref. case rlr. case

CoolingHea4ngLigh4ng

CoolingHea4ngLigh4ng

SOUTHORIENTATION

38.75

60.42

38.7838.75 40.33 49.03 47.47

61.47

10.20

18.134.34 5.08

9.10

8.09

8.96

22.04

20

8.32

17.57 6.95

15.44

6.55 5.92

5.55

13.79

40 60 80 Window to Wall Ratio (WWR, %)

Day

light

Met

rics

(sD

A-A

SE-D

F, %

) Energy D

emand (kW

h/m2)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 10

20

30

40

60

70

90

100

110

120

50

80

32.29

1.25 0.00

58.33

3.15

67.71

5.13

73.96

18.75 5.44

Reference case: Shaded Office Room (w. 3.4m, l. 5.4m, h. 2.7m, Overhang l. 0.5m) Roller case: Shaded Office Room + {movable Roller (according to LM-83)}.

ref. case rlr. case

CoolingHea4ngLigh4ng

CoolingHea4ngLigh4ng

12.50 18.75

SOUTHORIENTATION

sDA300lx, 50%hrs ASE1000lx, 250hrs DFavg.

DAYLIGHT METRICS vs ENERGY DEMAND

prEN DAYLIGHT: 2015

•  Επιτρέπει τον υπολογισµό είτε µε ωριαία προσοµοίωση είτε µε την χρήση του ΠΦΦ •  Ταξινοµεί σε τρείς κατηγορίες το εσωτερικό περιβάλλον(σε σχέση µε τον φυσικό φωτισµό)

Ελάχιστες απαιτήσεις για Αθήνα

Φωτισµός απο πρόσοψη

Πρέπει να επιτυγχάνονται 300 lux στο 50% του χώρου για το 50% των ωρών

ΚΑΙ

100 lux στο

100% του χώρου για το

50% των ωρών

Οι ΠΦΦ > 1.5% στο 50% του χωρου

ΚΑΙ

Οι ΠΦΦ > 0.5% στο 100% του χώρου

>50%

300 lux 100 lux

100%

>50%

300 lux 100 lux

100%

10% WFR

prEN DAYLIGHT: 2015

Χωρίς σκίαση

Nότιος προσανατολισµός-Ελάχιστες απαιτήσεις

Με σκίαση (πρόβολος)

•  Εισάγει ελάχιστες απαιτήσεις για θέα

prEN DAYLIGHT: 2015

Eλάχιστη απαίτηση για το άνοιγµα θέας Διαστάσεις 1x 1.25 m

Αστικό τοπίο

Δρόµος

Oυρανός

Απόσταση (>6 µ)

Γωνιακή ορίζοντια έκταση ανοίγµατος > 140 (στο 75% του χώρου που χρησιµοποιείται)

•  Εισάγει ελάχιστες απαιτήσεις για έκθεση στον ήλιο

prEN DAYLIGHT: 2015

Eλάχιστη απαίτηση : 1.5 ώρες ( 21/5)

prEN DAYLIGHT: 2015

•  Εισάγει ελάχιστες απαιτήσεις για θάµβωση (Daylight Glare Probability)

Στις ελάχιστες απαιτήσεις πρέπει τιµή του DGPt < 0.45 . Οι ωριαίες τιµές του DGP στο ωράριο λειτουργίας δεν πρέπει να είναι µεγαλύτερς απο την DGPt περισσότερο απο 5%

ΔΥΝΑΜΙΚΟΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ

•  Η επαλήθευση µε µετρήσεις είναι εξαιρετικά δύσκολη (ετήσια κατανοµή)

•  Απαιτητικοί υπολογιστικά

•  Χρειάζεται περισσότερη ανάλυση σε σχέση µε τα ηλιακά κέρδη •  Πως αποφασίζεται µια ρεαλιστική προσέγγιση για τη λειτουργία της σκίασης

•  Επίδραση σε επίπεδο µορφολογίας πρόσοψης

ΕΥΧΑΡΙΣΤΩ ΠΟΛΥ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΡΟΣΟΧΗ ΣΑΣ