Rola światła dziennego w życiu człowieka jest powszechnie znana i coraz bardziej doceniana. Korzystne dla człowieka parametry światła dziennego związane są bezpośrednio z jego specyfiką, odróżniającą je od światła uzyskiwanego w sposób sztuczny. Najważniejszą cechą tego światła jest ciągłe spektrum, obejmujące cały zakres światła widzialnego. Widmo to pełni istotne funkcje biologiczne związane z naturalnymi cyklami funkcjonowania organizmów, zapewnia również doskonałą oddawalność barw, co wiąże się z najbardziej efektywnym i komfortowym sposobem działania zmysłu wzroku. Inną istotną cechą światła dziennego jest też jego równomierność i stałe, duże natężenie dostępne przez większą część dnia w ciągu całego roku. Ponadto wskazać należy na fakt, że światło słoneczne, w przeciwieństwie do sztucznych źródeł światła, nie migocze – stanowi ciągły strumień fotonów docierających do nas bezpośrednio, w postaci promieni słonecznych i pośrednio – jako poświata nieboskłonu.
 
Dostępność światła dziennego jest zagadnieniem przewijającym się przez wszystkie etapy procesu budowlanego i coraz bardziej istotnym, zarówno w tzw. certyfikatach wielowartościowych budynków (BREEAM, LEED, WELL), jak i normatywach i ustawodawstwie. W Polsce sprawy te reguluje Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 R. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie, jak i przywołane w nim normy, m.in. PN-EN 12464-1:2004 Światło i oświetlenie - Oświetlenie miejsc pracy -  Część 1: Miejsca pracy we wnętrzach oraz PN-EN 17037 Światło dzienne w budynkach.
 
Problem zbyt małej dostępności światła dziennego w życiu codziennym, szczególnie w miejscach pracy, wynika więc nie z niedoskonałości wytycznych normatywnych, tylko z konieczności ochrony ludzi przed nadmiernym nasłonecznieniem utrudniającym, a czasem uniemożliwiającym pracę ze względu na ogromne poziomy natężenia światła słonecznego i związanego z nimi olśnienia. Ochrona ta, za pomocą typowych przesłon okiennych (rolet, żaluzji itp.) sprowadza się niestety do całkowitego odcięcia się od korzystnego wpływu światła dziennego i pracę przez wiele godzin przy świetle sztucznym.
 
Istnieją wszakże rozwiązania techniczne umożliwiające korzystanie ze światła dziennego przy zachowaniu podstawowej ochrony przed nadmiernym nasłonecznieniem, takie jak półki świetlne, żaluzje kierunkowe, specjalistyczne folie okienne itp. Każdy z tych systemów pozwala na dostęp do pomieszczenia ograniczonej ilości światła dziennego, którego zmienna natura wymusza jego uzupełnianie za pomocą światła sztucznego. W celu zapewnienia w miarę równomiernego natężenia światła w miejscach pracy używa się systemów integracji światła dziennego ze sztucznym, opartych na wykorzystaniu czujników natężenia światła, zlokalizowanych na suficie pomieszczenia, regulujących pracę opraw oświetleniowych. Prostota tych rozwiązań przekłada się niestety na ich małą skuteczność – pojedynczy czujnik oświetlenia zlokalizowany na suficie rejestruje wartości natężenia światła czasem bardzo odległe od tych, które występują na podłodze, lub na miejscu pracy.
 
Celem opisanego w niniejszym opracowaniu programu badawczo – rozwojowego jest opracowanie systemu integracji światła dziennego i sztucznego, który wyeliminuje wady opisanych wyżej, typowych rozwiązań tego typu, a jego działanie będzie uwzględniało w jak największym stopniu preferencje użytkowników tego systemu.


Metodologia

Projekt badawczo rozwojowy obejmował szereg zadań, które miały na celu ocenę problematyki różnych aspektów związanych z tematyką światła dziennego i sztucznego oraz próby rozwiązywania występujących w nich problemów.

Prace badawczo – rozwojowe dotyczyły następujących zagadnień:

1. Wybór i opracowanie optymalnego systemu okiennego do przesyłania światła dziennego w głąb pomieszczeń, uwzględniającego aspekt ochrony przed nasłonecznieniem,
2. Wybór i opracowanie zestawu opraw oświetleniowych najlepiej spełniających wymagania związane z ich integracją ze światłem dziennym,
3. Opracowanie systemu informatycznego umożliwiającego skuteczną integrację światła dziennego ze sztucznym za pomocą zaawansowanego sterowania oprawami oświetleniowymi,
4. Badania preferencji użytkowników w zakresie parametrów światła najlepszego do pracy.
5. Opracowanie spójnego systemu integracji światła dziennego ze sztucznym obejmującego wszystkie powyższe zagadnienia, tj. ustroje okienne, oświetlenie sztuczne, system sterowania oraz preferencje użytkowników.

Ostatnie z wymienionych zagadnień, czyli uwzględnienie preferencji użytkowników w systemie zintegrowanego oświetlenia dziennego i sztucznego zrealizowano za pomocą stworzonego algorytmu komputerowego, opartego o tzw. uczenie maszynowe, włączonego w program sterujący oświetleniem sztucznym.


System okienny do przesyłania światła dziennego w głąb pomieszczeń
 
Wybór systemu okiennego najlepiej spełniającego wymagania integracji ze światłem sztucznym oparto o szczegółową analizę dostępnych na rynku rozwiązań tego typu. Waloryzacja kilkudziesięciu produktów rynkowych (ok. 100) obejmowała ocenę funkcjonalności danego rozwiązania, jego skuteczności, przeznaczenia, jak również dostępności na terenie Europy i Polski. Niezależnie od oczywistych cech analizowanych rozwiązań, wynikających z wykorzystywanej technologii, do każdego produktu przypisano subiektywną ocenę każdej z 3 podstawowych funkcjonalności, tj. przepuszczalności światła (P), ograniczania olśnienia (O) oraz zachowania przezierności pod kątem widoczności (W). Opisana metoda pozwoliła uzyskać niepowtarzalną, skróconą charakterystykę każdego produktu oraz określić rozwiązanie, które będzie użyte w procesie projektowania systemu.
 
   
 
W trakcie analizy wyróżniono 8 kategorii technologii, tj.:

1. Szklenia
2. Folie
3. Przesłony
4. Soczewki
5. Przesłony refleksyjne
6. Kanały świetlne
7. Heliostaty
8. Transmitery

 
Największa skuteczność została wykazana w obrębie grupy tzw. przesłon refleksyjnych, spośród których do dalszych prac wybrano półki świetlne. Rozwiązanie to, stosowane już przez Firmę i używane w systemie QLS (QLAB Lighting System) charakteryzuje się wysokimi parametrami w każdym z analizowanych kryteriów (P, O, W), jak również walorami ekonomicznymi, prostotą montażu i użytkowania oraz dobrą dostępnością. Półka świetlna jest lekkim systemem okiennym instalowanym do nadproża otworu okiennego lub sufitu. Centralnym elementem ustroju jest pozioma belka nośna, zawieszona na wspornikach ok. 60 cm poniżej górnej krawędzi okna, stanowiąca oparcie dla następujących elementów:

1. Skrzydło półki świetlnej – poziomy reflektor (lustro) kierujący docierające do niego promienie słoneczne w kierunku sufitu pomieszczenia;
2. Roleta tekstylna – standardowa przesłona okienna sterowana ręcznie lub za pomocą silników elektrycznych;
3. Liniowa oprawa oświetleniowa kierująca światło w stronę sufitu pomieszczenia.

 
Opcjonalnie możliwe jest użycie dodatkowego elementu ustroju – odbłyśnika sufitowego, przydatnego szczególnie w sytuacji, gdy sufit pomieszczenia jest ciemny lub o nieregularnym kształcie.
 
   
 
Potwierdzona wcześniejszymi badaniami, wysoka skuteczność tego rozwiązania jest wymagana w omawianym systemie integracji światła dziennego ze sztucznym.


Zestaw opraw oświetleniowych  

Drugim komponentem systemu integracji jest światło sztuczne, czyli zestaw opraw oświetleniowych zapewniających pełną funkcjonalność i skuteczność rozwiązania. Spełnienie tych wymagań związane jest z jednej strony z doborem odpowiednich grup opraw, spełniających określone funkcje w całym systemie, a z drugiej – z właściwymi parametrami użytkowymi opraw, tj. wysoką jakością źródeł światła i możliwością sterowania mocą strumienia świetlnego i temperaturą barwową światła. Wspomniane grupy opraw, zapewniające najlepsze wykorzystanie systemu to:
 

1. Oprawy światła bezpośredniego, np. oprawy sufitowe, skierowane w dół i stanowiące główne źródło oświetlenia;
2. Oprawy światła pośredniego – oprawy skierowane w górę, w stronę sufitu pomieszczenia, zapewniające poświatę i stanowiące dodatkowe źródło oświetlenia (w tym oprawy liniowe instalowane do ustroju okiennego);
3. Oprawy indywidualne (biurkowe), pozwalające uzupełnić brakującą ilość światła na pojedynczym stanowisku oraz kreować indywidualne środowisko oświetleniowe na miejscu pracy.
    

 
 
W celu dokonania wyboru optymalnych rozwiązań w ramach każdej z omawianych grup opraw oświetleniowych, dokonano przeglądu dostępnych produktów, spełniających zarówno warunki jakościowe i użytkowe, jak i ekonomiczne. Wszystkie oprawy oświetleniowe wybrane do dalszych prac posiadały bardzo wysokie współczynniki oddawalności barw CRi>90, R9>90, zmienną temperaturę barwową w zakresie 2800 – 5600 K oraz możliwość płynnej regulacji mocy strumienia świetlnego.


Sterowanie oświetleniem  

Integracja światła dziennego i sztucznego sprowadza się w swej istocie do ciągłej regulacji mocy opraw oświetleniowych, która ma zapewniać wyrównany poziom natężenia oświetlenia w pomieszczeniu bez względu na zmieniające się nieustannie warunki oświetlenia naturalnego. W omawianej wersji dotyczy to również sytuacji, kiedy rolety w pomieszczeniu są opuszczone, dzięki działaniu półki świetlnej, która bez żadnych przerw dostarcza do pomieszczenia światło dzienne. Eliminacja wad typowego systemu integracji światła dotyczy jednak również zmiany lokalizacji czujników natężenia światła z sufitu na poziom oczu użytkowników. Położenie sufitowe czujnika (czujników) znacząco zaburza pomiar natężenia oświetlenia w pomieszczeniu, ponieważ odbywa się on daleko od płaszczyzny roboczej, na której odbywa się rzeczywista działalność użytkowników i która jest określona w normach jako właściwe miejsce pomiaru oświetlenia. Ta niekorzystna sytuacja pogłębia się dodatkowo w przypadku instalacji półek świetlnych, ponieważ w ich obecności znacząco wzrasta poziom natężenia światła na suficie (lokalnie nawet do kilku tysięcy luksów), co nie przekłada się proporcjonalnie na poziom oświetlenia płaszczyzny roboczej.
 
Problem ten został rozwiązany w ramach opracowanego wcześniej przez firmę QLAB system integracji światła dziennego ze sztucznym QLS (QLAB Lighting System), dlatego to właśnie rozwiązanie, w nieco zmodyfikowanej postaci, zostało wykorzystane w omawianym projekcie.
 
Istota wspomnianego rozwiązania sprowadza się do lokalizacji sieci czujników oświetlenia na poziomie oczu użytkowników, gdzie pomiar natężenia światła jest zgodny z rzeczywistą sytuacją oświetleniową miejsca pracy. Czujniki światła mogą być zintegrowane z oprawami indywidualnymi (biurkowymi) lub instalowane na elementach wyposażenia miejsca pracy (np. na monitorach lub ściankach między stanowiskowych). Chociaż czujniki oświetlenia nie znajdują się bezpośrednio na płaszczyźnie roboczej (co byłoby niekorzystne z powodu ryzyka częstego przesłaniania ich przedmiotami znajdującymi się na biurku), to ich położenie na stałej, dobrze zdefiniowanej wysokości pozwala w prosty sposób skalibrować niewielką różnicę natężenia światła występującą między poziomem oczu użytkowników, a powierzchnią roboczą (ok. 40 cm).
 
Warto zauważyć, że oprawy indywidualne (biurkowe), które stanowią uzupełnienie oświetlenia ogólnego, dostarczają światła, które nie ma wpływu na znajdujące się ponad nimi czujniki, w związku z tym ich użycie przez dowolnych użytkowników nie wpływa na pracę całego systemu i nie zmienia poziomu oświetlenia ogólnego w pomieszczeniu.
 
   
 
System integracji światła jest kontrolowany przez sterownik, którego oprogramowanie pracuje w układzie sprzężenia zwrotnego, utrzymując przez cały czas średnie natężenie oświetlenia w pomieszczeniu (lub jego części - strefie) na zadanym przez użytkowników poziomie.
 
   

Preferencje użytkowników

Badanie preferencji użytkowników systemu oświetlenia stanowiło kluczowy element całego programu badawczo – rozwojowego. Badanie to zostało przeprowadzone w porozumieniu z władzami Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach (Wydział Pedagogiki i Psychologii) w okresie od września 2019 do lutego 2021 roku, na grupie ponad 900 osób w wieku 19-52 lata.
 
Celem Projektu było:

1. Poznanie indywidualnych preferencji użytkowników (studentów i pracowników naukowych) co do natężenia i temperatury barwowej oświetlenia ich stanowiska pracy.
2. Sprawdzenie zależności pomiędzy natężeniem i temperaturą barwową światła a nastrojem emocjonalnym i subiektywnym komfortem pracy użytkowników oświetlenia.
3. Sprawdzenie zależności pomiędzy natężeniem i temperaturą barwową światła a sprawnością funkcji poznawczych użytkowników oświetlenia.
4. Sprawdzenie zależności pomiędzy natężeniem i temperaturą barwową światła a psychofizycznymi i behawioralnymi użytkowników oświetlenia.

 
Przeprowadzona została seria badań szczegółowych:

1. Monitoring preferencji użytkowników co do natężenia i temperatury barwowej podczas wykonywania zadań. Monitoring nastroju i subiektywnego komfortu pracy użytkowników oświetlenia w zależności od natężenia i temperatury barwowej światła.
2. Badanie sprawności funkcji poznawczych użytkowników oświetlenia w zależności od różnych warunków natężenia i temperatury barwowej światła.
3. Badanie reakcji psychofizycznych i behawioralnych użytkowników oświetlenia w zależności od różnych warunków natężenia i temperatury barwowej światła.

 
Udostępnione przez Uniwersytet pomieszczenie edukacyjne zostało wyposażone w odpowiedni zestaw opraw oświetleniowych oraz czujników umożliwiających przeprowadzenie badania. W pomieszczeniu dla 48 studentów zainstalowano:

1. Oprawy sufitowe oświetlenia bezpośredniego
2. Oprawy ścienne oświetlenia pośredniego (skierowane w sufit)
3. Oprawy indywidualne na biurkach
4. Czujniki natężenia i temperatury barwowej światła
5. System sterowania oświetleniem sztucznym.

 
Wszystkie oprawy miały możliwość regulacji mocy strumienia świetlnego oraz temperatury barwowej. Oprawy sufitowe i ścienne sterowane były za pomocą panelu ściennego działającego w trybie automatycznym (wg zadanego scenariusza) lub ręcznym. Oprawy biurkowe umożliwiały sterowanie indywidualne.
 
Czujniki natężenia i barwy światła zostały zainstalowane w oknach pomieszczenia (w celu rejestracji zmieniającego się natężenia i barwy światła dziennego) oraz we wszystkich oprawach indywidualnych, umożliwiając pomiar na wysokości ok. 30 cm nad powierzchnią biurka. Gęstość i rozmieszczenie czujników okiennych pozwoliły na rejestrację ustawienia rolet zainstalowanych na wszystkich oknach.
 
Niezależnie od odczytów czujników okiennych i biurkowych, przez cały okres trwania projektu rejestrowane były również nastawy (ustawienia) wszystkich opraw oświetleniowych.
 
Przeprowadzony program badawczy dostarczył wiele interesujących wyników, a jego końcowe wnioski przedstawiają się następująco:

1. preferowanie pracy w warunkach natężenia światła na poziomie ok. 350 lx, szczególnie w przypadku zadań wymagających pracy przy komputerze lub biernego uczestnictwa w wykładach;
2. preferowanie w warunkach sztucznego oświetlenia temperatury barwowej na poziomie 3600 K;
3. lepsze funkcjonowanie afektywne i psychofizyczne w warunkach pracy w świetle dziennym niż w warunkach oświetlenia sztucznego ;
4. lepsze funkcjonowanie psychofizyczne osób w warunkach z obecnym oświetleniem sztucznym, które umożliwiają samodzielne dostosowanie natężenia i temperatury barwowej światła w miejscu pracy w porównaniu z osobami, które pracują w warunkach, w których dostosowanie oświetlenia do własnych potrzeb nie jest możliwe.

 
   
 
Uzyskane wyniki pozwoliły sformułować wejściowe parametry dla projektowanego systemu integracji światła dziennego ze sztucznym (350 lx, 3600 K). Mając jednak na uwadze, że grupa badawcza, choć duża i badana w długim okresie czasu, obejmowała jednak tylko osoby o podobnych cechach (osoby uczące się, studiujące) i w zakresie wieku mniejszym, niż ten spotykany w pomieszczeniach biurowych, uznano, że samo przyjęcie uzyskanych parametrów wejściowych światła nie wystarcza do zapewnienia docelowego, wysokiego komfortu korzystania z oświetlenia. Komfort ten przejawia się m.in. w możliwie najmniejszej konieczności regulowania oświetlenia przez użytkowników, co oznacza warunki tak dobre, że nie wymagają poprawiania.
 
Mając powyższe na uwadze, do ostatecznego projektu systemu integracji światła dziennego ze sztucznym wprowadzono algorytm półautomatycznej kontroli oświetlenia, oparty na tzw. uczeniu maszynowym i powolnym dostosowywaniu się systemu do rzeczywistych potrzeb użytkowników, co powinno się przełożyć na minimalizowanie ich zaangażowania w manipulowanie ustawieniami oświetlenia.


System zintegrowanego oświetlenia światłem dziennym i sztucznym  

Wszystkie opisane wyżej części programu badawczo – rozwojowego zostały zintegrowane w spójnym systemie oświetlenia. System ten, oparty na opracowanym wcześniej systemie QLS (QLAB Lighting System), został ulepszony (w zakresie ustroju okiennego oraz opraw oświetleniowych) i wyposażony w nowy program sterowania, uwzględniający przebadane preferencje użytkowników. Zgodnie z końcowymi wnioskami, algorytm rozbudowano o funkcję uczenia maszynowego, pozwalającą na dostosowywanie się pracy systemu do zmieniających się preferencji użytkowników.
 
   
gdzie:
wO          wyjściowa wartość zadana oświetlenia (natężenie i temperatura barwowa)
ws(d)       wartość startowa dnia ‘d’
w            aktualna wartość zadana (chwilowa)
wd(d)       średnia dzienna wartości zadanej
wot(d)      średnia wartość zadana sąsiednich stref
 
System uczenia maszynowego jest oparty o analizę zapisywanych przez cały czas działania programu danych, pochodzących z czujników oraz nastaw opraw oświetleniowych. Mechanizm ten pozwala dowolnie modelować sposób ingerencji algorytmu w działanie systemu, uwzględniając nie tylko średnie dzienne zmiany wartości zadanych w, ale również ich aktualizowane wartości w poszczególnych częściach dnia lub na pojedynczych stanowiskach pracy. Opracowany algorytm opatrzono nazwą QALA (QLAB Automatic Light Adjustment).
 
Niezależnie od podstawowej funkcjonalności systemu, działanie algorytmu QALA oparto na wykorzystaniu logicznej zależności pomiędzy natężeniem światła, a temperaturą barwową. Regulacja temperatury barwowej realizowana jest według tzw. krzywej Kruithoffa. Opracowano dwa zróżnicowane przebiegi dla pory letniej i zimowej. Krzywa zimowa daje w efekcie cieplejsze światło w całym przebiegu regulacji. Charakterystyka zmiany temperatury barwowej została dobrana tak, aby domyślnej wartości natężenia odpowiadała temperatura barwowa wynikająca z przeprowadzonych badań tj. około 3600K (dla przebiegu zimowego).
 
   

Ponadto algorytm QALA zarządza sposobem włączania opraw oświetleniowych w sposób oddający naturalną zależność dla światła dziennego, gdzie małym natężeniom światła odpowiada światło rozproszone (ambient), a dużym światło padające bezpośrednio – oznacza to włączanie w pierwszej kolejności opraw światła pośredniego i w miarę potrzeb, późniejsze włączenie opraw światła bezpośredniego, odpowiedzialnych za uzyskanie wysokich poziomów natężenia światła.
 
   

Wykorzystanie algorytmu QALA wymaga zastosowania systemu sterowania oświetleniem składającego się z:

• Sterownika PLC;
• Kart komunikacji np. DALI, ArtNet, DMX, RDM;
• Zadajników dotykowych lub klawiszowych;
• Czujników natężenia światła;
• Czujników obecności (ruchu).

 
Oprócz opisanej wcześniej funkcjonalności, system posiada następujące możliwości:

• Rejestracja danych z nastaw parametrów oświetlenia oraz pozyskanych z czujników w pomieszczeniu;
• Rejestracja kluczowych parametrów systemu - w tym zużycia energii elektrycznej;
• Możliwość wprowadzania indywidualnych parametrów dla każdej z opraw (np. minimalny lub maksymalny poziom natężenia oświetlenia, kolejność załączania opraw oświetleniowych, łączenie opraw w grupy);
• Obsługa protokołu Modbus pozwalająca na współpracę z systemami automatyki budynkowej oraz dodatkowymi czujnikami;
• Opcjonalny blok konfiguratora w oprogramowaniu, dający możliwość dowolnego podziału pomieszczenia na strefy.

Podsumowanie

W ramach przeprowadzonego programu badawczo – rozwojowego dotyczącego integracji światła dziennego ze sztucznym z uwzględnieniem preferencji użytkowników, opracowano spójny system posiadający taką funkcjonalność, wyposażając go w algorytm oparty na zasadzie uczenia maszynowego QALA.
 
Opracowanie systemu obejmowało:

• Prace teoretyczne i symulacje komputerowe
• Badania laboratoryjne materiałów (pod kątem cech oświetleniowych) oraz opraw oświetleniowych
• Badanie preferencji użytkowników
• Stworzenie spójnego systemu w formie prototypu laboratoryjnego
• Wykonanie w pełni funkcjonalnego prototypu i zainstalowanie go w jednym z pomieszczeń biurowych firmy QLAB
• Kalibracja i badanie poprawności działania systemu w warunkach rzeczywistych
• Opracowanie procedur projektowych umożliwiających komercjalizację produktu

 
   
 
System integracji światła dziennego ze sztucznym QLS (QLAB Lighting System) w połączeniu z algorytmem wykorzystującym preferencje użytkowników QALA (QLAB Automatic Light Adjustment) jest kolejnym krokiem realizowanej w ramach polityki firmy QLAB działalności, związanej z popularyzacją wykorzystania światła dziennego w budynkach. Działalność ta jest w pełni zgodna z aktualnymi tendencjami w budownictwie i zarządzaniu budynkami oraz polityką ESG (Enviromantal / Social Responsibility / Corporate Governance) i wpisuje się ogólną koncepcję zrównoważonego rozwoju.
 
Zespół autorski
mgr inż. Tomasz KLIMEK
mgr inż. arch. Aleksander NOWACKI
mgr inż. Dariusz PIECH
mgr inż. arch. Krzysztof OSTROWSKI
mgr inż. arch. Adam PRZYBYŁA
mgr inż. Maciej NOWAK
 
Współpraca naukowa
dr Ewa WOJTYNA