0

publicatie: Daglichtsystemen + visueel comfort

1 Inleiding

1 Inleiding

Daglicht1 is het centrale thema in deze handleiding, die geschreven is voor elke professional die zich met licht en verlichting bezighoudt: de bouwfysicus, de bouwkundig ingenieur, de architect en de verlichtingsadviseur. Zoals de titel van de handleiding aangeeft, spitst deze zich toe op 'visueel comfort' en 'daglichtsystemen'. Voordat de doelstelling van deze handleiding in detail wordt besproken, eerst een korte toelichting van het onderwerp 'daglicht in gebouwen'.

De crusief gedrukte woorden in de handleiding zijn in Bijlage A 'Termen en begrippen' nader toegelicht.

Daglicht was een van de belangrijkste overwegingen in het ontwerp van een gebouw voor een groot aantal architecten in de eerste helft van deze eeuw, zoals Le Corbusier, Frank Lloyd Wright, Louis Kahn en Alvar Aalto. In het ontwerp van daglichtopeningen werden bijvoorbeeld atmosfeer, vereiste verlichtingsniveaus in de ruimte voor te verrichten taken, warmteoverdracht door de openingen en inkomend zonlicht in overweging genomen (zie bijvoorbeeld figuur 1).

Na de introductie van kunstlicht werd daglicht naar een lager prioriteitsniveau in het ontwerp-proces geschoven. Het daglicht werd min of meer vervangen door kunstverlichting: een lichtbron die 24 uur per dag te gebruiken was. Dit leidde tot een andere benadering in architectuur, waarbij de daglichtopeningen meestal alleen nog aangebracht werden om de gebruiker van een uitzicht te voorzien.

Figuur 1
De gevel van l'Institut du Monde Arabe, door Jean Nouvel, in Parijs, Frankrijk: de 'diafragma's' openen en sluiten als gevolg van het daglichtaanbod

In de afgelopen jaren heeft het gebruik van daglicht als lichtbron voor kantoorvertrekken vernieuwde interesse opgewekt. Een aantal redenen pleit voor de toepassing van daglichtopeningen in kantoorvertrekken. De belangrijkste zijn het voorzien in psychologische behoeften en het verlagen van het energiegebruik voor de kunstverlichting. Deze twee redenen worden kort toegelicht in Informatieblok 1 en Informatieblok 2.

Informatieblok 1:
Voldoen aan psychologische eisen

Een groot aantal studies heeft aangetoond dat gebruikers van kantoorvertrekken een voorkeur voor daglichtopeningen in hun kantoor hebben en dat zij geloven dat het hun productiviteit en gezondheid ten goede komt. Dit is een gevolg van kwaliteiten zoals uitzicht, daglicht, zonlicht en ruimtelijkheid. Tot nu toe is niet bewezen dat de aanwezigheid van daglicht de productiviteit van gebruikers verhoogt. Het comfort van de gebruiker en zijn welbevinden zijn echter belangrijke aspecten in het hedendaagse ontwerp van kantoorvertrekken (Collins 1975, Collins 1976, Hartleb Puleo en Leslie 1991, Roessler 1980).

Informatieblok 2:
Energiegebruik voor de kunstverlichting

Onderzoek heeft aangetoond dat op het moment de verlichting een van de belangrijkste componenten van de totale energiekosten van kantoorgebouwen is. Ze bedraagt ongeveer 25% (Ehling 1998). Aanzienlijke besparingen in het energiegebruik voor de kunstverlichting kunnen gehaald worden wanneer daglicht als substantiële lichtbron in kantoorvertrekken wordt toegepast (Coley en Crabb 1994, Littlefair 1996).

Deze verlaging van het energiegebruik kan alleen gerealiseerd worden wanneer de kunstverlichting gedimd of uitgeschakeld wordt zodra er voldoende daglicht is om te kunnen werken. Dit dimmen of uitschakelen gebeurt met behulp van een daglichtafhankelijk kunstlichtregelsysteem. Zo'n kunstlichtregelsysteem is gebaseerd op het principe dat het daglicht in de ruimte aangevuld wordt met, tenminste, genoeg kunstlicht om de vereiste verlichtingssterkte op de werkplek te realiseren. Dit betekent bijvoorbeeld dat bij een verlichtingsnorm van 500 lux en een daglichtbijdrage van 300 lux, tenminste 200 lux door de kunstverlichting wordt bijgedragen (zie ook bijlage D).

Wanneer door het gebruik van daglicht minder kunstlicht nodig is om een taak voldoende te verlichten, zal het elektrische energiegebruik voor de kunstverlichting omlaag gaan. Dit is het enige energiegebruik dat hier aan de orde zal komen.
Een vermindering van het gebruik van kunstlicht zal ook invloed hebben op de totale energiehuishouding van een gebouw. Bijvoorbeeld door het terugdringen van de koellast in de zomer of het terugdringen van de invloed van kunstverlichting als interne warmtebron in de winter. Het gebruik van daglicht heeft invloed op dit energiegebruik, omdat daglicht een passieve warmtebron is. Deze aspecten van het energiegebruik worden niet in deze handleiding behandeld.

In casestudies waarin regelsystemen zijn toegepast, zijn besparingen van de elektrische energie voor kunstverlichting gemeten tussen de 20 en 70%, die gerealiseerd worden door het gebruik van een daglichtafhankelijk kunstlichtregelsysteem (Knoop 1998). Het werkelijke elektrische energiegebruik voor de kunstverlichting in een bepaalde situatie hangt grotendeels af van:

  • de eigenschappen van de ruimte waarin het systeem wordt toegepast, met name de grootte van de daglichtopening en de reflectie van de wanden in de ruimte;
  • de omgeving, bijvoorbeeld de oriëntatie en de obstructie;
  • de acceptatie van het systeem door de gebruiker en
  • de verlichtingssterkte die op de werkplek gerealiseerd moet worden.

Daarom is het energiegebruik voor de kunstverlichting dat gevonden is in een bepaalde casestudie uniek voor dát specifieke voorbeeld. Het is duidelijk dat een architect vooral de ruimtekarakteristieken bepaalt en daarmee het energiegebruik voor de kunstverlichting beïnvloedt. De bepaling van het energiegebruik komt verder aan de orde in hoofdstuk 5.

Traditionele daglichtopeningen verlichten de ruimte ongelijkmatig, met hoge verlichtingsniveaus in de buurt van het raam en lagere niveaus dieper in het vertrek. Daglichtsystemen zijn aanpassingen in de gevelzone, die in eerste instantie ontwikkeld zijn met het doel:

  • daglicht dieper in het vertrek te brengen,
  • zonlicht te weren en door reflectie indirect in de ruimte te brengen en
  • de genoemde verschillen in het verlichtingsniveau te verminderen (zie figuur 2).

Wanneer daglicht als lichtbron voor een kantoorvertrek geoptimaliseerd wordt, met andere woorden wanneer daglicht dieper in het vertrek gebracht kan worden, kan het kunstlicht later ingeschakeld worden, waardoor het energiegebruik voor de kunstverlichting afneemt. Voorbeelden van daglichtsystemen zijn spiegelende lamellen, laser cut panels, light shelves (lichtplanken) (te zien in respectievelijk figuur 3, 4 en 5), anidolische systemen, holografische optische elementen en prismatische beglazing. Deze systemen worden uitvoeriger behandeld in hoofdstuk 2.

Daglichtsystemen kunnen een deel van, maar ook het gehele raamvlak beslaan. Een daglichtsysteem is niet zonder meer een helderheidswering of zonwering. Een helderheidswering is een lichtwering en wordt toegepast om de helderheid die door het raamvlak wordt waargenomen te verlagen. Een zonwering is een warmtewering en wordt toegepast om zonlicht te weren, maar niet per definitie door reflectie in het vertrek te brengen. Aanvullende helderheidswering of zonwering kan nodig zijn wanneer een daglichtsysteem wordt toegepast. Laser cut panels zijn bijvoorbeeld daglichtsystemen, ze brengen zonlicht door reflectie indirect in de ruimte, maar zijn doorzichtig en kunnen daarom niet als helderheidswering dienen. Andere voorbeelden zijn weergegeven in tabel 3 in bijlage A.

Figuur 2
Daglichtsystemen worden toegepast om licht dieper in het vertrek te brengen (links) en zonlicht te weren en door reflectie indirect in de ruimte te brengen (rechts)

Figuur 3
Spiegelende horizontale lamellen in een woonhuis in Delft

Figuur 4
Boven: Laser cut panel: principe (laag staande zon wordt doorgelaten, hoog staande zon wordt geweerd) en toepassing (met toestemming van de TU Berlin)

Figuur 5
Light shelf: toepassing in het belastingkantoor Enschede

1.1 Probleemomschrijving

Het gebruikmaken van daglicht kan tot problemen leiden wanneer de gebruiker van de ruimte door het daglicht gehinderd wordt. Serieuze problemen kunnen ontstaan wanneer het daglicht de gebruiker verblindt. Dit soort situaties komen niet alleen voor onder zonnige condities, maar ook bij bewolking waarbij de helderheid van de hemelkoepel relatief hoog is (zie figuur 6).

Figuur 6
Verblinding door direct zonlicht (links) en hoge helderheid van de hemelkoepel (rechts)

Hierdoor kan de acceptatie van de verlichting van de ruimte door de gebruiker verminderen. Dit kan tot een vermindering van productiviteit leiden. In de Arbowet is daarom aangegeven dat ramen uitgerust moeten worden met een passende instelbare helderheidswering. Als deze helderheidswering niet aanwezig is, of slecht functioneert, dan zal de gebruiker zelf een helderheidswering realiseren (zie bijvoorbeeld figuur 7). Een vaste helderheidswering, zoals papier op het raamvlak, zal de daglichttoetreding onnodig verminderen en een negatief effect hebben op het energiegebruik voor de kunstverlichting.

Figuur 7
Vermindering van acceptatie door de gebruiker: de ramen zijn afgeplakt met kranten om inkijk of verblinding te voorkomen

Tot nu toe wordt een ontwerp met betrekking tot de dagverlichting meestal getoetst op:

  • de verlichtingssterkte die, zonder aanvullende kunstverlichting, gerealiseerd kan worden op de werkplek van de gebruiker. Gestreefd zal worden naar een werkplek die zoveel mogelijk door daglicht wordt verlicht;
  • het energiegebruik voor de kunstverlichting. Het is maatgevend voor de kwaliteit van het daglichtontwerp wanneer een daglichtafhankelijk kunstlichtregelsysteem (zie bijlage D) ervoor zorgt dat het kunstlicht gedimd wordt zodra er voldoende daglicht aanwezig is. Hoe meer en hoe vaker (een deel van) de taakverlichting door daglicht wordt gerealiseerd, des te lager is het energiegebruik voor de kunstverlichting.

Zoals al aangegeven is het in de praktijk mogelijk dat deze kwaliteitscriteria – het energiegebruik en het verlichtingsniveau – niet gehaald worden wanneer de daglichttoetreding vermindert omdat de gebruiker door verblinding gehinderd wordt. Daarom is het noodzakelijk dat het aspect visueel comfort in de beoordeling van de visuele kwaliteit van ruimten wordt meegenomen.

De visuele kwaliteit van ruimten is in dit rapport gedefinieerd als het vermogen van een daglichtontwerp om, eventueel met geïnstalleerde daglichtsystemen, aan de verlichtingseisen te voldoen die voor een bepaalde situatie zijn gesteld. Deze eisen hebben betrekking op aspecten als de taakverlichting, de gelijkmatigheid van de verlichting, de luminantieverdelingen in de ruimte en de waargenomen verblinding.

De visuele kwaliteit wordt meestal onderverdeeld in twee aspecten:

  • Visuele prestatie
    Een fysiologisch en objectief aspect, dat betrekking heeft op het vermogen een bepaalde taak uit te voeren. Visuele prestatie is gedefinieerd als de kwantitatieve beoordeling van de uitvoering van een taak, waarbij snelheid en nauwkeurigheid een rol spelen (IESNA 1984). De verlichting - de hoeveelheid en de verdeling - van de taak speelt hierbij een belangrijke rol (zie figuur 8).

    Figuur 8
    Twee voorbeelden van taakverlichting, waarbij in het algemeen bij gebruikelijke kantoortaken de rechter taakverlichting de voorkeur heeft

  • Visueel comfort
    Een psychologisch en subjectief aspect, in het bijzonder gerelateerd aan de mate van waargenomen verblinding. Verblinding is een gevoel van onbehagen of zelfs pijn. Dit gevoel wordt veroorzaakt door luminanties (hoge helderheden) of een onregelmatige verdeling van luminanties binnen het blikveld. Dit hoeft niet tot een vermindering in het waarnemen te leiden (IESNA 1993). Verblinding kan worden veroorzaakt door direct in de verblindende bron te kijken (directe verblinding) of door reflecties van een heldere lichtbron in een (deels) spiegelend oppervlak (indirecte verblinding) (zie figuur 9).

    Figuur 9
    Directe (links) en indirecte (rechts) verblinding

Naast het visuele comfort en de visuele prestatie kunnen ook persoonlijke impressies een onderdeel van de visuele kwaliteit zijn. Van belang is dan of de gebruiker van de ruimte het vertrek attractief, aangenaam, interessant, ruimtelijk en comfortabel vindt. Dit aspect is zeer subjectief en wordt meestal niet meegenomen in een absolute beoordeling van de visuele kwaliteit.

Deze handleiding concentreert zich vooral op het aspect visueel comfort. De visuele prestatie wordt zijdelings aan de orde gesteld in de bepaling van het energiegebruik voor de kunstverlichting in een dagverlichte situatie, die van het visuele comfort en de visuele prestatie afhankelijk is.

1.2 Doelstelling

Tot nu toe is er weinig onderzoek uitgevoerd naar de invloed van daglichtsystemen op de visuele kwaliteit van ruimten. Binnen het onderzoeksprogramma 'Solar Heating and Cooling' van de International Energy Agency (IEA) is IEA Task 21 'Daylight in Buildings' geformuleerd (Ruck 2000).
Binnen dit project is onderzocht in hoeverre innovatieve en conventionele daglichtsystemen voldoen aan de eerdergenoemde eisen: het regelen en dieper in het vertrek brengen van direct en diffuus daglicht. Het verlichtingsniveau en de gelijkmatigheid van de verlichting op het werkvlak die hierdoor gerealiseerd worden, zijn visuele-prestatieaspecten. Een samenvatting van een aantal kleinere studies is gegeven in hoofdstuk 2. Het evalueren van de systemen in deze studies omvat echter niet de waargenomen verblinding door daglicht, het visuele-comfortaspect van de visuele kwaliteit in kantoorvertrekken.

Het is daarom noodzakelijk aanvullende informatie te verkrijgen met betrekking tot het visuele comfort in deze situaties. Dat heeft geleid tot de volgende kernvraag, die de basis is geweest voor dit rapport:

Hoe wordt visueel comfort bepaald in situaties met daglichtsystemen?

In deze handleiding worden methoden voorgesteld die het visueel comfort kunnen bepalen. Ze zijn gebaseerd op het verkrijgen van beoordelingen door proefpersonen, omdat dit de enige wijze is waarop verblinding beoordeeld kan worden. In het gebruik van de bestaande methoden kan een onderscheid gemaakt worden in wat de gebruiker ermee wil bereiken:

  • Vergelijken van daglichtsystemen en daarmee een daglichtsysteem voor een bepaald doeleinde selecteren
    Voor dit doeleinde moet de aanpak de mogelijkheid bieden het effect van verschillende daglichtsystemen op het visuele comfort in een ruimte te testen, in een relatief korte testperiode. Daarom worden beoordelingen gemaakt onder gesimuleerde hemelcondities in een gesimuleerde omgeving. Een geschikt daglichtsysteem voor een specifieke toepassing wordt geselecteerd na vergelijking van diverse situaties. Voorbeelden van deze methode zijn de Visual Comfort Evaluation Method en de Stationary Virtual Reality (zie § 3.1).
  • Bepalen van de absolute mate van verblinding door daglicht
    Voor dit doeleinde moet de aanpak de mogelijkheid bieden een daglichtsysteem in langetermijnstudies in realistische situaties te testen, zodat de exacte consequenties van een specifiek, meestal innovatief daglichtsysteem voor het visuele comfort in een ruimte kunnen worden bepaald. Deze methode wordt toegepast in studies in testruimten of veldstudies (zie § 3.2).

In hoofdstuk 3 is, voor beide principes, een overzicht gegeven van methoden die gebruikt kunnen worden om visueel comfort in dagverlichte ruimten te bepalen. In hoofdstuk 4 wordt aan de hand van voorbeeldstudies een aantal van deze methoden toegelicht (zie ook de leeswijzer, figuur 10).
Zoals eerder gezegd, kan de visuele kwaliteit van een ruimte niet alleen worden weergegeven met de visuele prestatie, oftewel het verlichtingsniveau dat gerealiseerd wordt, of het energiegebruik voor de kunstverlichting wanneer een daglichtafhankelijk kunstlichtregelsysteem wordt toegepast. Andersom geldt ook dat deze kwaliteit niet alleen weergegeven kan worden door middel van het visuele comfort in een ruimte. Bij de bepaling van het energiegebruik voor de kunstverlichting is het daarom van belang zowel visuele-prestatie- als visuele-comfortaspecten mee te nemen. Bestaande methoden om het energiegebruik te bepalen, bieden niet de mogelijkheid om beide aspecten in aanmerking te nemen. Daarom zijn nieuwe methoden ontwikkeld om dit energiegebruik te bepalen, die worden besproken in hoofdstuk 5.

1.3 Samenvatting

Samenvattend kan gezegd worden dat wanneer onbeperkt gebruikgemaakt wordt van daglicht om een zo laag mogelijk energiegebruik voor de kunstverlichting te realiseren, dit kan leiden tot problemen met het visuele comfort in de ruimte. Door de daglichttoetreding tijdelijk of permanent te verminderen, wordt meestal het nagestreefde doel niet bereikt: zonder visueel comfort wordt een vermindering van het energiegebruik niet gehaald.

Deze handleiding biedt methoden om het visuele comfort in situaties met daglichtsystemen te bepalen. Er wordt een onderscheid gemaakt tussen twee principes die aan de methoden ten grondslag liggen:

  • een keuze maken tussen diverse daglichtsystemen of
  • het absolute visuele comfort bepalen.

Daarnaast geeft deze handleiding aan hoe het energiegebruik voor de kunstverlichting bepaald kan worden, dat gerealiseerd kan worden met daglichtgebruik, waarbij het visuele comfort en de visuele prestatie in aanmerking worden genomen.
De handleiding spitst zich weliswaar toe op kantoorvertrekken, maar deze methoden kunnen ook in andere dagverlichte situaties ingezet worden.

1.4 Leeswijzer

De structuur van deze handleiding is samengevat in figuur 10. Hij geeft aan welke onderdelen van de handleiding van belang zijn wanneer een keuze voor een daglichtsysteem gemaakt moet worden, of wanneer een absolute beoordeling van de verblinding gemaakt moet worden. De donkerblauw en donkergeel gekleurde onderdelen in het schema geven aan waar de beoordelingsmethoden voor de specifieke toepassing gevonden kunnen worden.

Voor de lezer die slechts een indruk wil hebben van de inhoud van deze handleiding, zijn samenvattingen in de tekst geplaatst. Voor de lezer die achtergrondinformatie wil hebben over de thema's behandeld in deze handleiding, zijn naast hoofdstuk 2, 'Achtergrondinformatie', aanvullend informatieblokken en referenties in deze handleiding opgenomen.

Voor het lezen van dit rapport wordt een algemene kennis op het gebied van (dag)verlichting verondersteld. Een aantal begrippen van de verlichtingskunde is toegelicht in bijlage A. Aanbevolen literatuur, waar meer informatie gevonden kan worden over een aantal onderwerpen die hier alleen kort toegelicht worden, is opgenomen in de literatuurlijst.

Figuur 10
Opbouw van het rapport