Biodynamické osvětlení

Antonín Fuksa

Publikováno v časopise ERA21 2/2015

en— Biodynamic Lighting

Přívlastkem složeným z řeckých slov βίος (bios: život, živost) a δύναμις (dynamis: síla, potenciál, proměnlivost) se označuje nejen umělé osvětlení, které svou proměnlivostí napodobuje denní světlo, ale i působení vnějších sil na živé organismy (sousedí s biomechanikou) nebo způsob zemědělského hospodaření podle Rudolfa Steinera (sousedí s ekologickým zemědělstvím) či například signály z vesmíru, které by svědčily o přítomnosti života.

en— The attribute consisting of the Greek words βίος (bios: life, liveliness) and δύναμις (dynamis: strength, potential, variability) is used not only for artificial light that imitates the daylight with its variability, but also for the effect of exterior elements on live organisms (related to biomechanics) or a form of farming according to Rudolf Steiner (related to environmental friendly farming) or for example signals from outer space that would be evidence of the presence of life.

 

SVĚTLO Z OBLOHY

Proměnlivost denního světla je dána oběhem Země kolem Slunce, její rotací kolem vlastní nakloněné osy a přítomností atmosféry. Sluneční světlo se při průchodu atmosférou částečně rozptyluje a přímá a oblohová složka se pro pozorovatele znovu spojují v závislosti na momentálních atmosférických podmínkách.


Obr. 1 Azimut a výška slunce během dne a roku v 50° s. š. a 15° v. d. [5].

 

SVĚTLO V INTERIÉRECH

Samotné denní osvětlení interiérů vlivem své proměnlivosti nedokáže ve většině případů zajistit trvalou osvětlenost nezbytnou pro provádění zrakových úkolů. Dnešní typické umělé osvětlení je zářivkové a statické. Dá se jen zapnout a vypnout – často po jednotlivých sekcích – a vzácně i stmívat. Teplota chromatičnosti typického umělého světla je pevně daná.

 

POTŘEBA ROZMANITOSTI OSVĚTLENÍ

Člověk si uvědomuje a podvědomě cítí potřebu různých světelných podmínek při různých činnostech a v jednotlivých částech dne. Podle statistik bychom na kancelářskou práci měli nejraději kolem 2 000 lx neutrálního nebo chladného světla (norma [1] požaduje střední udržovanou osvětlenost min. 500 lx). Večer naopak relaxujeme při desítkách luxů teplého světla. V rámci dostupných prostředků se tak snažíme proměnlivost denního světla napodobit.

 

NEVIZUÁLNÍ ÚČINKY SVĚTLA

Světlo na nás působí i jinak než zrakově – stimuluje naši nervovou soustavu a synchronizuje naše vnitřní biologické hodiny. Světlocitlivé gangliové buňky sítnice (ipRGCs), které toto působení zprostředkují, jsou nejcitlivější na modrou složku světla a převažují v dolní části sítnice, na niž se v exteriéru promítá obloha. Tento signál seřizuje naše centrální hodiny na počátek dne. Řídí cyklus bdělosti a spánku, hladiny hormonů, tělesnou teplotu a synchronizuje vnitřní hodiny jednotlivých orgánů. Délka dne slouží fotoperiodickým živočichům jako světelný kalendář, kterým se řídí jejich roční životní cykly, ať už se jedná o zimní spánek, výměnu srsti, či třeba období plodnosti. Sezonní výkyvy nálady, větší potřeba světla v zimě nebo příliv sil v předjaří naznačují, že určitou roční fotoperiodu má i člověk. Norma [2] předpokládá zohlednění mimovizuálních účinků světla v budoucí revizi normy [1] pro umělé osvětlení a návrh takového rozšíření je popsán v normě [3].

 

„UMĚLÉ“ VERSUS „PŘÍRODNÍ“

Denní světlo je ve své podstatě nenahraditelné a technickými prostředky se mu můžeme pouze v různých směrech přiblížit. Na umělé světlo reagujeme jinak než na denní. Běžné umělé světlo v interiéru dovedeme odlišit od denního, aniž bychom pátrali po zdroji. Mezi podvědomá kritéria mohou patřit následující:

  • osvětlenost – je přiměřená očekávané úrovni?
  • kontrast – je rozložení jasů v přijatelném rozmezí?
  • chromatičnost – odpovídá této části dne?
  • podání barev – odpovídají paměťové barvy (pleť, známé předměty)?
  • podání tvarů – jsou stíny předmětů přirozené (anebo příliš ostré/měkké či násobné)?
  • směr stínů – může úhel dopadu odpovídat aktuální poloze slunce?

Pokud zní většina odpovědí ne, těžko uvěříme, že je prostor osvětlen denním světlem. Někdy se ale podaří, že lidé mají v uměle osvětleném prostoru pocit, že se tam nesvítí a pouze do něj proniká denní světlo. Možná tedy existuje nějaká míra přiblížení, od níž bychom umělé světlo považovali za světlo denní.

 

PŘIBLÍŽENÍ I – INTENZITA

Polední venkovní osvětlenost může být v jasném letním dni přibližně 100 000 lx. Naproti tomu v interiérech se u umělého osvětlení setkáváme s hodnotami o dva až tři řády nižšími. Výrobci dnes nabízejí většinu svítidel i ve stmívatelné variantě. Taková svítidla lze propojit do určité komunikační sítě, kterou mohou uživatelé ovládat pomocí tlačítek, stmívačů, voličů scén, ovládacích panelů či z aplikace na počítači nebo v chytrém telefonu. Mohou si tak nastavit světelné podmínky předem připravené pro různé činnosti nebo části dne, případně individuálně požadovanou intenzitu osvětlení. K takové síti lze kromě svítidel připojit i detektory přítomnosti osob, senzory osvětlenosti nebo prvky stínicí techniky. Automatické řízení osvětlenosti může být zdrojem značných úspor energie [2]. Velmi rozšířené jsou systémy DALI a KNX. Biodynamické osvětlení může zajistit řídicí jednotka nebo počítač s programem, který v průběhu celého dne upravuje intenzitu umělého osvětlení. Algoritmus vypočítá teoretickou vodorovnou venkovní osvětlenost pro aktuální čas a datum, dále může vzít v úvahu geometrické uspořádání a orientaci prostor, pracovní dobu uživatelů, nastavení ovládacích prvků a senzorů nebo přidat proměnlivou složku z generátoru pseudonáhodných čísel (simulace mraků). Požadavek na vypočtenou intenzitu následně odešle do sítě svítidel.

@obr2@
Obr. 2 Modelový průběh venkovní osvětlenosti pro 21. červen; červeně je zobrazen řídicí kód DALI pro napodobení průběhu v interiéru.

 

PŘIBLÍŽENÍ II – CHROMATIČNOST

V závislosti na výšce slunce nad obzorem prochází sluneční světlo různě silnou vrstvou atmosféry: kolem poledne tenkou a nízko nad obzorem silnější. Na shlucích molekul (či fluktuacích tlaku) dochází k Rayleighovu rozptylu světla (zvláštní případ rozptylu Mieova), jehož účinný průřez je nepřímo úměrný čtvrté mocnině vlnové délky záření. Fialové světlo o vlnové délce λ = 380 nm se rozptyluje 16krát více než červené o vlnové délce λ = 760 nm (okraje viditelného spektra). Díky kombinaci spektra slunečního záření nad atmosférou, rozptylu a spektrální citlivosti našeho zraku vidíme oblohu a Zemi z vesmíru jako modrou. Při dobrých povětrnostních podmínkách se slunce v poledne jeví jako žlutobílé, při východu či západu jako zlaté a při znečištěném ovzduší až rudé. V bezmračném dni se teplota chromatičnosti přímé složky mění přibližně podle obrázku 3. Tc severní oblohy je v desítkách tisíc kelvinů a při rovnoměrně zatažené obloze je Tc během dne přibližně 6 500 K.

@obr3@
Obr. 3 Modelový průběh teploty chromatičnosti a cirkadiánního indexu přímé složky denního světla pro 21. červen.

Řídicí jednotka může ovládat rovněž teplotu chromatičnosti – pokud to svítidla umožňují. U zářivek je teplota chromatičnosti pevně daná složením luminoforu a řízení Tc je možné jen rozsvícením zdrojů s jinou teplotou chromatičnosti – ať už ve stejném, či v jiném svítidle. U světelných diod je situace výrazně lepší: na trhu jsou moduly a pásky se světlem o dvou různých teplotách chromatičnosti nebo RGBW či RGBA (Red – červená, Green – zelená, Blue – modrá, White – bílá nebo Amber – žlutá), obsahující čtyři barevné komponenty, ze kterých lze (na rozdíl od prostého RGB) složit kvalitní bílé světlo (Ra > 90) v širokém rozsahu teplot chromatičnosti. Nově vyvíjené tunable OLED materiály umožňují zároveň regulovat světelný tok a teplotu chromatičnosti.

Příjemné kombinace teploty chromatičnosti a osvětlenosti se nacházejí mezi křivkami Kruithofova diagramu. Pro aktivní část dne jsou vhodné vyšší osvětlenosti (nad 500 lx), kterým odpovídají chladnější tóny (> 5 000 K). Zde umělé osvětlení napodobuje jasné sluneční světlo. Pro relaxaci a přípravu ke spánku je naopak vhodnější teplejší světlo, které je příjemné při nižších osvětlenostech (desítky až několik set luxů) a zároveň obsahuje několikanásobně menší podíl biologicky aktivující složky než světlo chladné. Napodobuje tedy zapadající slunce nebo světlo ohně.

@obr4@
Obr. 4 Kruithofův diagram.

 

PŘIBLÍŽENÍ III – SMĚR SVĚTLA

Umělé osvětlení může rovněž imitovat zdánlivý pohyb slunce po obloze (viz obr. 1). Natáčením částí svítidel nebo jejich optických komponentů lze světlo směrovat pod potřebnými úhly. Rovněž je možné použít doplňková svítidla umístěná na stěnách nebo jako součást interiéru. Ta mohou mít oproti stropním svítidlům nižší světelný tok, ale i nižší teplotu chromatičnosti, protože je řídicí systém aktivuje až v době, kdy je slunce nízko nad obzorem (méně intenzivní a teplejší světlo). Poslouží jak při simulaci skutečného dění na obloze, tak i při programu „prodloužený den“ v kanceláři, kde biodynamické osvětlení může plnit funkci světelných hodin, které uživateli naznačí, že se blíží čas odpočinku.

 

ZÁVĚREM

Denní světlo řídí naše biologické rytmy. Umělé světlo je prozatím většinou statické. Všechny prvky pro realizace biodynamického umělého osvětlení jsou dnes již k dispozici. Můžeme tedy řídit umělé světlo tak, aby působilo na naše biorytmy podobně jako světlo denní.

Grafy: archiv autora, [5]

 

Literatura:

[1] ČSN EN 12464-1 Světlo a osvětlení – Osvětlení pracovních prostorů: Část 1: Vnitřní pracovní prostory. ÚNMZ, 2012.

[2] ČSN EN 15193 Energetická náročnost budov: Energetické požadavky na osvětlení. ČNI, 2008.

[3] DIN SPEC 67600 Biologisch wirksame Beleuchtung – Planungsempfehlungen (Biologicky účinné osvětlení – směrnice pro návrh), 2013.

[4] COELUX SRL: Experience the sky: Insubria University Spin-off. Online, vyhledáno 24. 3. 2015, dostupné z: http://www.coelux.com/.

[5] Sun path chart program. UNIVERSITY OF OREGON: Solar Radiation Monitoring Laboratory. Online, vyhledáno 24. 3. 2015, dostupné z: http://solardat.uoregon.edu/SunChartProgram.html.

Antonín Fuksa

Publikováno v časopise ERA21 2/2015