Performance of advanced daylighting systems for functional lighting in buildings at high latitudes

Bruk av dagslys inne i bygninger har alltid hatt stort fokus og vært en viktig oppgave for arkitekter og andre prosjekterende gjennom alle tider. Store takhøyder, store vinduer og overlys er ønskesituasjonen for mange, men endringer i bygningskroppen som resultat av energieffektivisering har ført til at det er vanskeligere å få tilstrekkelig dagslys inn i bygningene. Formålet med Nærings-ph.d prosjektet er å forske på de muligheter og potensialer som finnes for å utnytte dagslyset best mulig i et næringsbygg. Dette skal primært utføres ved hjelp av innovative dagslyssystemer, både teoretisk, i modellskala og i fullskalaforsøk. De første forskningsresultatene viser at det også er stort potensiale for bruk av dagslyssystemer for utdannings -og helsebygg. Grunnen til dette er primært at de overnevnte funksjoner har driftstider som sammenfaller med dagslysets tilgjengelighet, spesielt i sommerhalvåret. En delforskning utført i denne Nærings-ph.d har hatt fokus på dagslysteknikker i arkitektonisk og urbant design, i ZEB og ZEN. Nye konsepter for design slik som Zero energi områder (ZEN) har mål for energieffektivitet i større skala enn ett enkelt bygg. Litteraturstudiet viser at dagens regelverk ikke vurderer energikonsepter til bygg i sammenheng med andre omkringliggende bygg i et urbant område. Dagslystilgang i en bygning påvirkes av de andre nærliggende bygg, hvilket må tas hensyn til for å oppnå gode sol- og dagslys-forhold i alle bygg. Det er flere utfordringer knyttet til utnyttelse av dagslys som tilskudd til kunstig belysning, og for utnyttelse av solenergi i byggene våre. I Nord-Europa har vi svært lav solhøyde store deler av året hvilket gir mindre tilgang på dagslys i bygg plassert i urbane strøk, og by-tette områder. I byer og andre områder med tett bebyggelse vil det være vanskelig å få tilstrekkelig dagslys inn via vinduer i de nederste etasjene. Arbeidsplasser ved fasader vil ha tilstrekkelig belysningsstyrke gjennom store deler av arbeidsdagen med dagslys inn via vindusflater. Dette forutsetter at det ikke oppstår blendingssituasjoner som gjør at solavskjerming aktiveres og samtidig hindrer innslipp av dagslyset. En omfattende litteraturundersøkelse av dagslyssystemer resulterte i flere systematiske oversikter over lysoverføringseffektivitet, potensial for energibesparelse og potensialet til hvert enkelt system for bruk med lav solvinkel og overskyet himmel. Horisontale dagslystuber og laserkuttede paneler ble valgt ut som mest aktuelle til å bruke i tester. En omfattende laboratorietest, med en skalamodell; og en påfølgende teoretisk test, i et 2- og 3 persons kontor har blitt gjennomført med svært lovende resultat. Studien har blitt internasjonalt publisert og har fått god oppmerksomhet. Et fullskala forsøks-studium, med kvantitativ, kvalitativ og en korrelativ metode, for å teste et horisontalt dagslyssystem (HLP) i et kontor ble gjennomført i løpet av 2020/2021. Menneskers opplevelse av dagslysforhold i et rom hvor dagslys kom fra HLP, i tillegg til vindu, ble testet i en kvalitativ studie. Funnene viste en forbedret opplevelse av rommet i en situasjon hvor dagslyset kom gjennom HLP og vindu, sammenlignet med en situasjon hvor lyset primært kom via kunstig belysning. Studien ble publisert i en spesiell utgave av Energy&Buildings Journal, som var dedikert til IEA oppgaven om integrative løsninger av dagslys og belysning. I tillegg til kvalitativ studie ble det gjennomført måling (og logging) av dagslysets mengde gjennom HLP i løpet av en helårsperiode. Funnene viste at HLP kunne supplere dagslys med opp til 300lux i 4m avstand fra fasade. Situasjon med et vanlig vindu og solavskjerming (i blendingsfri posisjon) ville gitt kun opp til 100lux på samme avstand. En indikasjon på energisparepotensialet for kunstig belysning ble også funnet. Studien er i publiseringsprosessen. Samspillet mellom de ulike fagdisipliner i et byggeprosjekt er nødvendig for å oppnå prosjektets mål. Forskningen vil også vise viktigheten av godt samspill og påvirkning fra flere fagområder; arkitektur, bygningsfysikk og belysningsteknikk. Forskningsresultatene bør bidra til at implementering av nye teknologier for utnyttelse av dagslyset går lettere og raskere, slik at dette kan komme samfunnet til gode. Denne forskningen vil også være direkte anvendbar for oppdrag i Norconsult og for kommende byggeprosjekter nasjonalt og internasjonalt.

Etter nesten fem år med studier og forskning på tema som dette prosjektet omhander ser vi noen endringer i positiv retning i forhold til fokus på dagslys og viktigheten av tilstedeværelse av dagslys. Det har blitt en relativ større interesse for dagslyssystemer og man antar at det er på grunn av at mange prosjekterende, rådgivere og arkitekter har mer tilgang til litteratur og erfaringer fra ulike systemer. Det vil si at man har fått en introduksjon til hvordan dagslyssystemer kan brukes og hvilke effekter dette har på både menneskets helse og på byggtekniske egenskaper (funksjonalitet og energi). Kandidaten har selv fått mange henvendelser fra eksterne og interne prosjekterende, rådgivere og arkitekter som har bedt om råd vedrørende anvendelse av dagslyssystemer. Den spesialkompetansen som kandidaten har utviklet gjennom prosjektet er også etterspurt fra NTNU og USN hvor dagslysdesign er et undervisningsfag. En av effektene av studiet/prosjektet er at studenter skal få lære om dagslyssystemer i både bachelor og master studier, og vil ha denne kunnskapen med seg ut i arbeidslivet. Med tanke på at prosjektet har gitt positive resultater forventer vi at implementering og bruk av dagslyssystemer i de ulike bygg øker i fremtiden. Resultatene fra dette PhD-studiet viser at bruk av dagslyssystemer i bygg har en positiv effekt på mennesker og energibruk. På grunn av klimaendringene, usikre priser på energi, og mer fokus på menneskets helse, er det generelt forventet at anvendelse av ny teknologi skjer i større grad enn tidligere, men i ulikt omfang. Det forventes at de oppnådde resultater i studiet/forskningen vil ha potensielle virkninger på en raskere innføring av flere dagslyssystemer i våre bygg, både ved private og offentlige bygg, og at effekten er at et slikt produkt oftere tas i bruk for å tilføre dagslys lenger inn i de ulike arealer i byggene våre. En potensiell langtidseffekt er at dagslyssystem blir et fast bygningselement ved planlegging av nye bygg for å øke dagslysstilgangen og redusere behov for kunstig belysning i deler av arealer. Det vil si å optimalisere belysningen i bygget. Videre kan man også benytte dagslyssystemer ved rehabilitering av eksisterende bygg, som vil gi helsemessige effekter for brukeren.

Formålet med PhD studiet er å utrede muligheter og potensialer for ytterligere reduksjon av energibehovet til belysning i næringsbygg, gjennom bruk av dagslyset. Bakgrunn for behovet er både nye signaler fra myndighetene om enda strengere krav til energieffektivisering av bygg, og trender i bygg og eiendomsmarkedet. En klar sekundær fordel for miljø- og helseforhold ville selvsagt bli større bruk av naturlig dagslyset og dets påfølgende kvalitative resultater. Prosjektet skal fokusere på innovative dagslyssystemer som kan føre dagslyset inn i rommet på en måte som gjør lyset brukbart for funksjonell belysning. Hovedfokus er på kontorbygg, og cellekontorer og landskap som er plassert nær fasade. Studiet skal redegjøre for hvilke rom og områder, og hvilke innovative dagslyssystemer implementert i fasade kan kombineres for å få dagslyset inne i form av funksjonell belysning. Hvis energikravet til belysning reduseres vil dette også medføre nedsatt kjølebehov, spesielt om dagslyset blir ført inn i rommet uten varmetilskuddet (noe som skjer om dagslyset kommer som vanlig gjennom vinduet). Studiet skal konsentrere seg om skandinaviske solforhold med tanken på å få pålitelig underlag som kan brukes videre av våre prosjekterende. Lys- og energiberegningene skal utarbeides for å finne bidraget fra det innovative dagslyssystemet, og hvor mye supplering som trengs fra det elektriske lyset. Større dagslystilskudd vil føre til direkte redusert energibruk til belysning, og sekundært redusert kjølebehov. Det er mange studier som viser et sparingspotensial på 30% kun som følge av at dagslyssystemer er tatt i bruk. Som siste delen i studiet vil det bli testet et utvalg av dagslyssystemer i et kontor, med avsluttende brukerundersøkelser. Her skal det dokumenteres brukertilfredshet og andre tilbakemeldinger i vanlig bruk. Studiet vil også være direkte anvendbart for både pågående oppdrag og kommende byggeprosjekter.