VALAISTUSSUUNNITTELU OPETUSTILOIHIN Ari Taavitsainen Opinnäytetyö Toukokuu 2015 Talotekniikka Sähköinen Talotekniikka
TIIVISTELMÄ Tampereen ammattikorkeakoulu Talotekniikka Sähköinen talotekniikka TAAVITSAINEN, ARI: Valaistussuunnittelu opetustiloihin Opinnäytetyö 89 sivua, joista liitteitä 21 sivua Toukokuu 2015 Tämän opinnäytetyön tarkoituksena oli suunnitella valaistus kolmeen eri opetustilaan ja yhteen käytävätilaan. Suunnittelun tarkoituksena oli luoda tiloihin käytöltään mukava, terveellinen, energiatehokas, valaistustekniikan ja kiinteistöautomaation opetuksessa hyödynnettävä valaistus. Opinnäytetyö tehtiin Tampereen ammattikorkeakoululle. Opinnäytetyön ohjaajana toimi lehtori Kari Kallioharju. Samalla Kallioharju toimi työn tilaajan edustajana ja määritteli yhdessä laboratorioinsinööri Saul Wiinamäen ja talotekniikan lehtori Veijo Piikkilän kanssa tilojen vaatimukset. Työssä tarkastellaan eri valosuureita, standardivaatimuksia ja teknisiä ratkaisuja sekä pohditaan, miten yleisvalaistusta voidaan käyttää opetuskäytössä, eritoten valaistustekniikan opetuksessa. Tämän lisäksi työssä tarkastellaan Fagerhultin ja Osramin opetustilan valaistukseen liittyviä tutkimuksia sekä Belokin teettämää päivänvalon hyödyntämiseen ja sen tuottamaan energiansäästöön liittyvää tutkimusta. Tutkimus tuloksia ja niissä esitettyjä valaistusratkaisuja pyritään hyödyntämään tässä työssä käsiteltyjen tilojen valaistusta suunniteltaessa. Valaistuksen sähköenergian säästö, valaistuksen muuntojoustavuus ja laajennettavuus on työn tilaajalle tärkeää, tämän vuoksi tilojen valaistusratkaisuissa pyrittiin käyttämään erilaisia energiatehokkaita ohjausjärjestelmiä ja eri valmistajien ohjauslaitteita ja valaisimia. Asiasanat: valaistus, valaistussuunnittelu, luokkatilan valaistus
ABSTRACT Tampereen ammattikorkeakoulu Tampere University of Applied Sciences Bachelor of Building Services Engineering Electrical Engineering for Building Services ARI TAAVITSAINEN Lighting Design for Teaching Facilities Bachelor's thesis 89 pages, appendices 21 pages May 2015 The thesis was made for Tampere University of Applied Sciences. The aim of the thesis was to design lighting system in three different classrooms and one corridor. The idea was to create a new lighting that is user friendly, energy efficient and could be used as a teaching aid in lighting technology and building automation. The thesis examines different magnitudes related to lighting, indoor lighting standard regulation, technical solutions and considers how lighting could be used as an teaching aid, especially for teaching lighting technology. Researches are from 3 different sources. The first research presented in this thesis examines how illumination affects student efficiency in learning and whether there is biological effect on human. The second research examines only if illumination has effects on students learning efficiency. The last research takes a look at potential use of daylights for indoor lighting and how much electrical energy could be saved. Energy efficiency-, adaptability- and expandability in lighting system are important to Tampere University of Applied Sciences, therefore the thesis aims at lighting solutions and control systems that are energy efficient by various manufacturers. Key words: Light, Lighting design, Lighting in class room
4 SISÄLLYS LYHENTEET JA TERMIT 1 JOHDANTO... 7 2 OPETUSTILOJEN ESITTELY... 8 2.1 Laboratorioluokka A2-19... 8 2.2 Tietokoneluokka A2-22... 10 2.3 Teorialuokka A2-21... 10 2.4 Käytävä... 11 3 VALAISTUSSUUNNITTELU... 13 3.1 Valaistuslaskenta DIALux-ohjelmistolla... 14 3.2 Valaistussuureet ja muut oleelliset termit... 15 3.2.1 Valovirta ja valotehokkuus... 15 3.2.2 Valovoima I... 16 3.2.3 Valaistusvoimakkuus E ja tasaisuus U 0... 17 3.2.4 Värilämpötila K... 18 3.2.5 Värintoistoindeksi R a... 19 3.3 Sisätyöpaikkojen valaistusstandardi SFS 12464-1:2011... 20 3.3.1 Työalueet... 20 3.3.2 Työalueen keskimääräinen valaistusvoimakkuus... 22 3.3.3 Välittömän lähialueen ja tausta-alueen keskimääräinen valaistusvoimakkuus... 23 3.3.4 Valaistusvoimakkuuden tasaisuus U 0... 23 3.3.5 Häikäisy UGR... 23 3.3.6 Keskimääräinen sylinterivalaistusvoimakkuus E z... 24 3.3.7 Muodonanto... 25 3.3.8 Värintoisto Ra... 25 3.4 Oppimisen kannalta hyvä valaistus... 25 3.4.1 Ympäröivän valon vaikutus oppilaiden hyvinvointiin ja opintosuorituksiin... 25 3.4.2 Valon vaikutus oppilaiden suorituskykyyn... 30 4 VALAISTUKSEN ENERGIATEHOKKUUS... 32 4.1 Valaisimet ja valonlähteet... 32 4.2 Päivänvalon hyödyntäminen... 34 4.3 Liike-/läsnäolotunnistus... 36 5 TAMKIN TILOJEN SUUNNITTELU JA VALAISTUSRATKAISUT... 37 5.1 Tilojen valaistuksenohjaus... 37 5.1.1 DALI järjestelmä ja laitteisto... 37
5 5.1.2 Helvar reititinjärjestelmä... 39 5.1.3 KNX järjestelmä ja laitteisto... 45 5.1.4 EnOcean järjestelmä ja laitteisto... 51 5.2 Tilojen valaistus... 54 5.2.1 Laboratorioluokka A2-19... 54 5.2.2 Teorialuokka A2-21... 56 5.2.3 Tietokoneluokka A2-22... 61 5.2.4 Käytävä... 63 6 POHDINTA... 65 LÄHTEET... 66 LIITTEET... 68 Liite 1. Valaistuksen ohjausjärjestelmän periaatekaavio... 68 Liite 2. Piirikaaviot... 69 Liite 3. Valaistuskeskuksen VK pääkaavio... 72 Liite 4. Valaistuslaskentatulokset... 75 Liite 5. Tasopiirustus... 88 Liite 6. Valaisinluettelo... 89
6 LYHENTEET JA TERMIT DALI DMX KNX Valonjako U 0, E min /E m Topologia Digital Addressable Lighting Interface (Osoitteellinen valaistuksen ohjausjärjestelmä) Digital Multiplex (digitaalinen sarjaprotokolla) Kiinteistöautomaatiostandardi Ilmaisee, miten valo jakautuu valaisimesta Valaistusvoimakkuuden tasaisuus Verkon muoto
7 1 JOHDANTO Valaistuksella on valtavan suuri merkitys tilan turvallisuudelle, viihtyvyydelle ja käyttömukavuudelle. Valaistuksella voidaan vaikuttaa myös merkittävästi ihmisen terveysja vireystilaan, tämän vuoksi valaistukseen ja sen suunnitteluun kiinnitetään nykyisin paljon huomiota. Valaistuksen toteutuksessa pääosassa ovat usein valaisimet; miltä valaisimet näyttävät ja kuinka tehokkaita ne ovat. Vähintään yhtä tärkeässä ellei jopa tärkeämmässä roolissa on valaistuksen ohjaus, etenkin energiatehokkuutta tarkasteltaessa, mutta myös käyttömukavuudessa. Jos vaa an toisella puolella on turvallisuus-, viihtyvyys- ja terveystekijät, niin vastakkaisella puolella ovat kustannukset ja energiankulutus. Tämän vuoksi tilan käytön ja tilan tarpeiden mukaan on tärkeää suunnitella juuri siihen tilaan sopiva valaistus ja sille oikean tyyppinen ohjaus. SFS-EN 12464-1:2011 Valo ja valaistus. Työkohteiden valaistus. Osa 1: Sisätilojen työkohteiden valaistus -standardissa on määritelty valaistuksen vähimmäisvaatimukset eri tilatyypeille. Standardi toimii vähittäisvaatimuksena valaistukselle, mutta myös auttaa samalla valaistussuunnittelijaa suunnittelutyössä. Tässä työssä tarkastellaan ja suunnitellaan Tampereen ammattikorkeakoulun talotekniikan koulutusohjelman opetustilojen valaistusta, joissa opetetaan monia eri aiheita ja valaistussuunnittelun kannalta suoritetaan paljon eri tyyppisiä näkötehtäviä. Tilan käyttäjiä ovat eri-ikäiset ihmiset ja tilojen valaistusta halutaan tarvittaessa käyttää myös valaistustekniikan opetuksessa. Valaistussuureet ja valaistussuunnittelun kannalta tärkeät tunnusluvut saattavat olla vaikeita sitä opiskeleville opiskelijoille ensi kädessä ymmärtää. Tämän vuoksi tiloihin suunnitellaan valaistus, jolla tulee voida yksinkertaisesti säätää ja monitoroida tilan valaistusolosuhteita, kuten esimerkiksi valaistusvoimakkuutta, värilämpötilaa ja suoraa tai epäsuoraa valaistusta. Lisäksi osaa tilan valaisimista tulee voida hyödyntää valaistuksenohjausharjoituksissa. Valaistustekniikan opettamiseen esitettyjen vaatimusten lisäksi luokkien tulee olla peruskäytössä SFS-EN 12464-1 sisävalaistusstandardin mukaisia ja energiatehokkaita. Energiatehokkuuden saavuttamisessa hyödynnetään nykyisiä sensoritekniikoita ja päivänvaloa. Työn suunnittelussa varaudutaan tulevaisuuden järjestelmälaajennuksiin, kuten esimerkiksi automaattiseen aurinkosuojaukseen.
8 2 OPETUSTILOJEN ESITTELY Tilat, joita tässä luvussa esitellään, sijaitsevat Tampereen ammattikorkeakoulun pääkampuksella Kuntokadulla, talotekniikan koulutusohjelmalle keskitetyssä A-siiven 2. kerroksessa. Tilojen pääasiallinen käyttö on elokuusta kesäkuuhun klo 7.00-18.00. Näiden aikojen ulkopuolella tiloja käytetään, mutta ne ovat harvemmassa käytössä. Alla olevassa kuvassa on esitetty suunnittelualue, jota työ koskee. (Kuva 1.) Kuva 1. Suunniteltavat tilat. (Tampereen Ammattikorkeakoulu) 2.1 Laboratorioluokka A2-19 Nykyinen valaistus tilassa on tyypillinen luokkatilan valaistus, joka on hieman puutteellinen yleisesti valaistuksen kannalta ja ohjaukseltaan. Nykyisinä valaisimina on T8 loisteputkivalaisimet. Liitäntälaitteina valaisimissa on energiatehokkuudeltaan hyvä elektroninen liitäntälaite. Tilan valaisimet ovat ripustettuja tuottaen suoraa ja epäsuoraa valoa arviolta noin 40% ylävalosuhteella. Tilan nykyinen valaistuksen ohjaus on toteutettu perinteisillä painonapeilla, joissa on valaistustilanteet: kaikki 100%, esitysvalaistus ja kaikki pois. Seuraavalla sivulla esitetystä kuvasta 2 nähdään, millainen tila on nykyisellään. Tilaa käytetään ryhmätyötilana, laboratoriona, sekä normaalissa opetuksessa. Tilan pöydät eivät ole kiinteitä, vaan liikuteltavissa opettajan pöytää lukuun ottamatta. Tilan käyttö ja opiskelijoiden sijainti saattaa olla hyvinkin muuttuva. Tilassa on runsaasti LVI tekniikkaan liittyviä putkia ja laitteita, joilla havainnollistetaan oppilaille LVI järjestelmien toimintaa. Tilan takaosassa on erillinen olosuhdetila A2-19B, joka on esi-
tetty kuvassa 3. Tilat A2-19 ja A2-19B vastaavat käytöltään laboratorio- ja luentotilan sekoitusta. 9 Kuva 2. Laboratorioluokan A1-19 nykytilanne. Kuva 3. Olosuhdetilan A1-19B nykytilanne.
10 2.2 Tietokoneluokka A2-22 Alla olevassa kuvassa 4 on esitetty tietokoneluokka A2-22 nykytilanteessa. Tilassa nykyinen valaistus on toteutettu pääosin samalla tavalla kuin laboratorioluokan valaistus. Poikkeuksena on, että valaisimet tuottavat pääosin suoraa valoa. Neljä tilan valaisinta tuottaa suoraa ja epäsuoraa valoa. Nykyinen valaistuksen ohjaus on toteutettu perinteisin painonapein ja tietokoneluokkaa ohjaavia painonappeja sijaitsee, myös tilassa A2-20. Painonapit kutsuvat valaistustilanteita: kaikki 100%, esitysvalaistus ja kaikki pois. Tilassa on kiinteät pöydät ja tietokoneet. Tietokoneiden näytöt ovat tällä hetkellä heijastamattomia, mikä on hyvä tilan valaistuksen kannalta. Lisäksi tilassa käytetään videotykkiä ja tussitaulua opetukseen. Kuva 4. Tietokoneluokan A2-22 nykytilanne. 2.3 Teorialuokka A2-21 Nykyinen valaistus tilassa on samankaltainen, kuin tietokoneluokassa A2-21, poikkeuksena, että yksikään valaisin ei tuota epäsuoraa valoa kattoon. Valaistuksen ohjaus on toteutettu painonapein. Seuraavalla sivulla esitetyssä kuvassa 5 on esitetty teorialuokka A2-21 nykytilanteessa. Tilassa on runsaasti kiinteitä pöytiä, videotykki ja tussitaulu. Opettajan pöydällä on tie-
tokone, joka on varustettu heijastamattomalla näytöllä. Tila on avoin käytävälle ja tilan ja käytävän välissä on kaksi laboratoriopöytää, jotka on esitetty kuvassa 6. 11 Kuva 5. Teorialuokan A2-21 nykytilanne. Kuva 6. Teorialuokan A2-21 laboratoriopöydät. 2.4 Käytävä Seuraavalla sivulla olevassa kuvassa 7 on esitetty käytävä, joka johtaa suunnittelualueen luokkatiloihin. Käytävä on perinteinen kulkukäytävä, jossa opiskelijat saattavat suorittaa vähäisiä lukutehtäviä ja kannettavien tietokoneiden tai mobiililaitteiden käyttöä. Pääasiallinen käyttö käytävällä on klo 7.00-20.00.
Kuva 7. Käytävä nykytilanteessa. 12
13 3 VALAISTUSSUUNNITTELU Valaistussuunnittelu koostuu pääosin käyttötarpeen mukaisten valaisimien ja ohjaustapojen valinnasta, sekä valaistuksen laskennasta tietokoneavusteisesti. Valaistussuunnittelussa tulee kuitenkin ottaa huomioon muitakin seikkoja, esimerkiksi miten valitut valaisimet ja ohjaustavat pystytään toteuttamaan. Esimerkiksi jos luokkatilaan halutaan epäsuoraa valaistusta, toteutetaan se usein luokkatiloissa ripustamalla valaisimet ja valaisemalla kattoa. Valaistuksen käyttömukavuudella ja terveysvaikutuksilla on suuri rooli valaistussuunnittelussa. Käyttömukavuuteen liittyy monella tapaa myös ohjaus. Ohjausjärjestelmän ja valaisimien rooli on lähes yhtä suuri. Jos ohjausjärjestelmä ei toimi oikein tai on liian hidas, vaikuttaa se negatiivisesti koko järjestelmän käyttömukavuuteen. Valitulla ohjausjärjestelmällä pyritään pitämään käyttömukavuus hyvänä ja vastaamaan käyttäjän ohjaustarpeisiin. Ymmärtäminen -Asiakkaan tarpeet - Tilojen käyttö Havainnointi -Tilojen/kohteiden katsaus -Ideat Visualisointi - DIALux laskennat tarpeiden ja vaatimusten mukaan. Arviointi -Vaihtoehdot -Toteutettavuus Arviointi Toteutus -Viimeistely -Tasokuva Kuva 8. Käyttäjäkeskeisen valaistussuunnittelun vaiheet. Yllä olevassa kuvassa 8 on esitetty käyttäjäkeskeisen valaistussuunnittelun vaiheet. Usein suunnittelun edetessä ilmenee uusia näkökulmia tai tilaajan tarpeet muuttuvat, jolloin eri suunnitteluvaiheista usein palataan takaisin edellisiin vaiheisiin. (Laatuvalo, Suunnitteluprosessi)
14 3.1 Valaistuslaskenta DIALux-ohjelmistolla DIALux on yleisin käytetty valaistuslaskentaohjelma Suomessa. Sen käyttö on ilmaista ja useimpien valaisinvalmistajien valaisimista saadaan laskentatiedostot DIALux iin. DIALuxilla pystyy mallintamaan monia eri valaistustilanteita, kuten päivänvaloa tai hätävalaistusta. DIALux ilmoittaa, myös valaistuksen kuluttaman energian ja antaa automaattisesti energiankulutuksen per neliömetri. Ohjelma on melko helppo käyttää ja sillä saa tarkasti tilojen valaistuksen laskettua. Raportointi on DIALuxin yksi vahvuuksista. Laaja ja helppokäyttöinen tulostettava raportti tilojen valaistuslaskennoista on helppo toimittaa asiakkaalle. Kuvissa 9 ja 10 on esitetty kuvakaappauksia tilan A2-21 ja siihen liittyvän käytävän DIALux suunnitelmista. Kuva 9. Kuvakaappaus DIALuxin 2D-näkymästä.
15 Kuva 10. Kuvakaappaus DIALuxin 3D-näkymästä. 3.2 Valaistussuureet ja muut oleelliset termit Tässä luvussa on selitetty auki erilaisia valosuureita ja oleellisia termejä, joita tarvitsee valaistussuunnittelussa ja valaistuksen havainnollistamisessa. 3.2.1Valovirta ja valotehokkuus Valovirta kuvaa valonlähteen valon tuottoa. Valovirran yksikkö on luumen [lm]. Lamppuvalmistajat ilmoittavat lamppujen valovirtojen arvot tuoteluetteloissaan ja ne toimivat lähtötietoina valaistuslaskennassa (Fagerhult 2014-2015, s. 606 ) Valaisimen ja eritoten lamppujen energiatehokkuutta on helppo tarkastella valotehokkuuden avulla. Valotehokkuuden yksikkö on luumen/watti [lm/w]. Valotehokkuus ilmaisee, miten paljon valaisin tarvitsee sähköenergiaa valovirran tuottamiseen. Seuraavalla sivulla olevassa kuvassa 11 on vertailtu eri valonlähteiden energiatehokkuutta lumen/w-arvoilla.
16 Kuva 11. Valonlähteiden energiatehokkuuden vertailu. (Philips, Inside innovation) 3.2.2Valovoima I Valovoimalla I kuvataan valonlähteestä tiettyyn suuntaa lähtevää valon määrää. Valovoiman yksikkö on kandela [cd]. Valovoiman avulla pystytään ilmaisemaan valaisimien valonjakokäyrä. (Fagerhult 2014 2015,s. 606.) Kuva 12. Valonjakokäyrä Alppilux Alpo valaisimesta. (Alppilux, Alpo) Yllä olevassa kuvassa 12 on esitetty Alppilux Alpo valaisimen valonjakokäyrä. Valaisimien valonjako ilmoitetaan kandelaa tuhatta luumenia kohden [cd/klm].
17 Valonjakokäyrä piirretään koordinaatistoon, jossa tarkastelu tehdään asteina valaisimeen nähden. Yhtenäinen viiva kuvaa valonlähteen pituusakseliin nähden poikittaista tasoa ja katkoviiva pituusakselin suuntaista tasoa. (Fagerhult 2014 2015, 608.) Eri tahojen esitystavat saattavat poiketa edellä esitetystä viivamallista. Kuvassa 12 sinisellä viivalla on kuvattu pituusakselin suuntaista valonjakoa ja punaisella on kuvattu pituusakseliin nähden poikittaista tasoa. 3.2.3Valaistusvoimakkuus E ja tasaisuus U 0 Valaistusvoimakkuus E on yksi tärkeimmistä valaistuksen laatuun vaikuttavista tekijöistä. Valaistusvoimakkuuden yksikkö on luksi [lx] ja se on valaistusjärjestelmän tehokkuutta kuvaava suure, joka määrittelee määrätylle pinnalle kohdistuvan valovirran määrän pinta-ala yksikköä kohden eli 1 luumen per neliömetri on yhtä kuin 1 luksi (1 lm/1 m2=1lx). Valaistussuosituksissa ja -standardeissa valaistusvoimakkuus on usein käytetyin ja tärkein arviointikriteeri. (ST 58.07, 2.) Alla esitetty kuva esittää valaistusvoimakkuuden ja valovirran suhteen. (Kuva 13.) Kuva 13. Valaistusvoimakkuuden havainnollistaminen (Futseng.com) Valaistusvoimakkuuden lisäksi myös valaistusvoimakkuuden tasaisuus U 0 on tärkeä valaistuksen laatuun vaikuttava tekijä. Epätasaisessa valaistusympäristössä silmä joutuu jatkuvasti sopeutumaan erilaisiin valaistustilanteisiin ja rasittuu. Valaistuksen tasaisuuden ilmaisemiseen käytetään useimmiten suhdelukua E min /E m, eli U 0 = E min /E m.. E min /E m on pienimmän tilassa lasketun valaistusvoimakkuuden arvon ja keskimääräisen valaistusvoimakkuuden arvon osamäärä. Tällä suhdeluvulla voidaan arvioida valaistuksen tasaisuus. (ST 58.07, 2.)
18 3.2.4Värilämpötila K Värilämpötila ilmaisee valon värisävyn kelvin asteikolla [K]. Värilämpötilat ilmaistaan mustan kappaleen kuumenemisesta aiheutuvan säteilyn avulla, esimerkiksi kun kappale on lämpötilaltaan 1500 kelviniä; se on oranssinvärinen ja 3000 kelvinissä kappale on lämpimän valkoinen. (Fagerhult, 2014-2015, 568) Asteikolla arvot < 3300 K koetaan lämpimiksi, neutraalin valkoisiksi välillä 3300 5300 K ja > 5300 kelvinin arvot viileäsävyisiksi. Lamppujen värilämpötilat vaihtelevat yleensä 2700 6500 K. (ST-kortti 58.07, 3.) Kuva 14. Värilämpötilat esitettynä kromaattisuusdiagrammissa. (Wikipedia, Black-body radiation) Yllä olevassa kuvassa 14 on värilämpötilat esitetty kromaattisuusdiagrammissa. Ulkoreunalla esitetyt numeroarvot ovat monokromaattisen valon aallonpituuksia. Valaistuksen kannalta tulee kiinnittää huomio keskellä esitettyyn kuvaajaan, joka esittää mustan kappaleen säteilyä ja ilmaisee minkä värisiä eri värilämpötilat ovat. Valon värilämpötilalla on tutkittu olevan yhteys vireystilaan. Viileämpien sävyjen (>6500 K) on tutkittu vaikuttavan esimerkiksi oppilaiden vireystilaan nosta-
19 malla sitä. Pienemmillä värilämpötilojen arvoilla on myös vaikutuksia, mutta silloin vaaditaan huomattavan suuri valaistusvoimakkuus. (Osram, Tutkimus valon vaikutuksista oppilaiden suorituskykyyn) 3.2.5Värintoistoindeksi R a Värintoistoindeksi (Ra) on mitta-asteikko, jolla mitataan valonlähteen keskimääräisen värintoiston poikkeavuutta vertailulähteen värintoistosta. Tällä tarkoitetaan valonlähteen kykyä toistaa värejä. Indeksin maksimiarvo on 100. Sisävalaistuksen tulisi olla yli 80 ja erinomaisen värintoiston yli 90. (ST-kortti 58.07, 3-4.) Alla oleva kuva havainnollistaa värintoistoa, väreissä on nähtävissä selkeä ero eri värintoistoindeksien arvoilla. Kuvassa 15 vasemmalla on sateenvarjon värit valaistuna valonlähteellä, jonka värintoisto on 60, keskellä 80 ja oikealla 90. Kuva 15. Värintoistoindeksin havainnollistaminen. (Philips.co.uk, What is colour rendering index) Seuraavalla sivulla olevassa taulukossa esitetään minkälaisen värintoiston eri valonlähteet mahdollistavat, (Taulukko 1)
20 Taulukko 1. Värintoistoindeksit eri valonlähteillä (kodinvalaistus.fi, Valon laatu) Ra indeksi Arvosteluasteikko Missä 100 Täydellinen Päivänvalo, hehku- ja halogeenilamput 90-100 Erinomainen 80-90 Hyvä Erikoisloistelamput, laadukkaat led-lamput, muut erikoislamput Tavalliset loistelamput, monimetallilamput, penoisloistelamput, tavalliset led-lamput 70-80 Tyydyttävä Huonolaatuiset loistelamput 50-70 Välttävä Jotkut katulamput, huonolaatuiset loistelamput 0-50 Huono Katu- ja tievalot yleensä 0 Ei värintoistoa Pienpainenatriumlamput monokromaattiset eli yksiväriset valonlähteet, laservalo 3.3 Sisätyöpaikkojen valaistusstandardi SFS 12464-1:2011 SFS-EN 12464-1:2011 Valo ja valaistus. Työkohteiden valaistus. Osa 1: Sisätilojen työkohteiden valaistus määrittelee vähimmäisvaatimukset sisätyöpaikkojenvalaistukselle. Tässä luvussa käsitellään standardin pääkohdat ja tarkastellaan mitä vaatimuksia standardissa esitetään työssä käsitellyille luokkahuoneiden ja käytävän valaistukselle. 3.3.1Työalueet Valaistuksen määrällinen suunnittelu standardissa perustuu työalueajatteluun eli valaistusvoimakkuudet, joita standardin taulukoissa esitetään, koskevat lähinnä työalueita ja sen ympäristöjä. Seuraavalla sivulla esitetyssä kuvassa 16 on esitetty standardin vaatimat työalueen välittömän lähiympäriston ja tausta-alueen vähimmäismitat. Työalueen koko riippuu tilasta. Tarkkaan rajatun työalueen puuttuessa; on koko tilaa käsiteltävä työalueena tai valaistava tasaisesti (tasaisuus U 0 vähintään 0,4) suunnittelijan määrittämään valaistusvoimakkuuteen. (SFS-EN 12464-1 2011, 20.)
21 Kuva 16. Työalueen, välittömän lähiympäristön ja tausta-alueen määrittely. (SFS-EN 12464-1 2011, 20.) Alla on esitetty teorialuokan A2-21 valaistuslaskennassa tarkastellut työalueet, käytännössä luokan jokainen työpöytä on työalue. (Kuva 17.) Kuva 17. Tilan A2-21 DIALux laskennassa tarkastellut työalueet. (työalue 1: pinkki, työalue 2: sininen, työalue 3: punainen)
22 3.3.2 Työalueen keskimääräinen valaistusvoimakkuus Alla esitetyn taulukon 2 kohdasta 5.36.2 nähdään vaatimukset tässä työssä käsiteltäville opetustiloille (Työalue: 500 lx). Kohdasta 5.36.17 nähdään käytävän valaistusvoimakkuus (Työalue: 100 lx). Taulukko 2. Opetustilojen valaistusvaatimukset. (SFS-EN 12464-1 2011, 60) Käytävällä ei ole varsinaista työaluetta, joten standardin kohdan 4.3.3 mukaan tilaa on käsiteltävä kokonaan työalueena tai tila on valaistava tasaisesti (U 0 0,4). (SFS-EN 12464-1 2011, 18)
23 3.3.3Välittömän lähialueen ja tausta-alueen keskimääräinen valaistusvoimakkuus Välittämön lähialueen valaistusvoimakkuus riippuu työalueen valaistusvoimakkuudesta; taulukon 3 mukaisesti. (Taulukko 3.) Tausta-alueen keskimääräisen valaistusvoimakkuuden tulee standardin kohdan 4.3.5 mukaan olla vähintään 1/3 välittömän lähialueen valaistusvoimakkuudesta. (SFS-EN 12464-1, 22) Taulukko 3. Välittömän lähialueen valaistusvoimakkuus vaatimus (SFS-EN 12464-1 2011, 20.) 3.3.4 Valaistusvoimakkuuden tasaisuus U 0 Sivulla 22 esitetystä taulukosta 2 nähdään, että työalueen valaistusvoimakkuuden tasaisuuden U 0 tulee olla esimerkiksi käsitellyissä luokkatiloissa vähintään 0,6. Välittömässä lähiympäristössä tasaisuuden tulee olla vähintään 0,4 ja taustaalueella vähintään 0,1. 3.3.5 Häikäisy UGR Häikäisy on merkittävä häiriötekijä näkemiselle; se on tunne, joka johtuu näkökentässä olevista liian kirkkaista alueista.
24 Standardissa käsitellään kahdenlasista häikäisyä; kiusa- ja estohäikäisyä. Kiusahäikäisy aiheuttaa epämiellyttävää tunnetta, mutta ei kuitenkaan heikennä näkemistä, estohäikäisy taas heikentää näkemistä. (Rexel, Sisätyötilojen valaistus) Kiusahäikäisy määritellään käyttäen CIE:n (International Commission on Illumination) UGR (Unified Glare Rating) menetelmää. DIALux ohjelmalla UGR arvot määritellään UGR katsojapisteillä, joita sijoitetaan tilan eri kohtiin. Opetustilojen valaistusvaatimustaulukosta nähdään, että luokkatilojen UGR arvo täytyy olla tasan tai alle 19. Käytävällä UGR arvon tulee olla tasan tai alle 25. (Taulukko 2.) Estohäikäisy ei ole suuri ongelma, jos kiusahäikäisy alittaa standardin vaatimukset. (SFS-EN 12464-1, 24) 3.3.6Keskimääräinen sylinterivalaistusvoimakkuus E z Keskimääräinen sylinterivalaistusvoimakkuus ilmaisee keskimääräistä vertikaalivalaistusvoimakkuutta kuvitteellisen sylinterin ulkopinnalla. Riittävä keskimääräinen sylinterivalaistusvoimakkuus E z takaa tilaan hyvän visuaalisen viestinnän ja kohteiden tunnistamisen. (Glamox, Keskimääräinen sylinterivalaistusvoimakkuus) Standardin kohdan 4.6.2 Keskimääräinen sylinterivalaistusvoimakkuus toimitilassa mukaan toiminta- ja sisätiloissa keskimääräisen sylinterivalaistusvoimakkuuden tulee olla vähintään 50lx ja sylinterivalaistusvoimakkuuden tasaisuuden vähintään 0,1. Keskimääräinen sylinterivalaistusvoimakkuus määritellään tietylle korkeudelle, esimerkiksi 1,2 metriin istuvalle henkilölle ja 1,6 metriin seisovalle. Lisäksi standardin mukaan tiloissa, joissa kommunikaatio on tärkeää, esimerkiksi toimisto-, neuvottelu- ja opetustiloissa E z tulee olla vähintään 150 lx ja tasaisuuden vähintään 0,1. (SFS-EN 12464-1 2011, 26.) Käsitellyillä luokkatiloilla vaatimus on 150 lx, tasaisuus 0,1 ja käytävällä 50 lx, tasaisuus 0,1.
25 3.3.7 Muodonanto Tilan yleisvaikutelma paranee, kun sen rakenteelliset yksityiskohdat sekä siinä olevat ihmiset ja esineet valaistaan niin, että muoto ja tekstuuri tulevat selkeästi ja miellyttävästi esille. Tasaisesti sijoitetuilla valaisimilla tilan keskimääräinen sylinteri- ja vaakatason valaistusvoimakkuuden suhteen ollessa 0,3 0,6 muodonannon katsotaan olevan hyvä. (SFS-EN 12464-1 2011, 28.) 3.3.8Värintoisto Ra Näkötehokkuuden, mukavuuden ja hyvinvoinnin vuoksi ympäristön, siinä olevien kohteiden ja ihmisten ihon värien tulee toistua luonnollisena, oikeana ja tavalla, joka saa ihmiset näyttämään miellyttäviltä ja terveiltä. (SFS-EN 12464-1 2011, 28.) Sivulla 22 esitetystä taulukosta 2 nähdään, että työn kaikissa tiloissa värintoistoindeksin tulee olla vähintään 80. 3.4 Oppimisen kannalta hyvä valaistus Valaisimet ja valaistuksen suunnittelu on kehittynyt valtavasti viime vuosien aikana ja valon vaikutuksia ihmisen kehoon on ruvettu tutkimaan entistä enemmän. Tässä luvussa on esitetty kahden eri valaisinvalmistajan tekemät tutkimukset, joissa tutkittiin valaistuksen vaikutusta oppilaisiin opetusympäristössä. 3.4.1 Ympäröivän valon vaikutus oppilaiden hyvinvointiin ja opintosuorituksiin Fagerhult on tutkinut ympäröivän valon vaikutusta oppilaiden hyvinvointiin, vireystilaan ja koulusuorituksiin. Tutkimus toteutettiin kahdessa erilaisessa luokkatilassa, joissa toisessa (C1) oli epäsuoraa valoa ja toisessa (E1) pelkästään suoraa valoa. Tutkimuksessa mitattiin oppilaiden kortisoli- ja melatoniiniarvoja.
26 Lisäksi oppilaat suorittivat matematiikan ja lukemisen testejä. Alla olevasta kuvasta 18 nähdään, miten valaistukset oli toteutettu luokkatiloissa. (Fagerhult Influence of ambient light on performance, mood, endocrine systems and other factors of school children, 7.) Kuva 18. Luokkatilojen valaistusvoimakkuudet. Vasemmalla on suoralla valolla varustettu huone ja oikealla epäsuoralla valolla varustettu huone. (Fagerhult Influence of ambient light on performance, mood, endocrine systems and other factors of school children, 3.) Kortisolia kutsutaan stressihormoniksi, koska henkinen, fyysinen ja psyykkinen rasitus nostavat ihmisen kortisoli tuotantoa. Seuraavalla sivulla olevassa kuvassa 19 on esitetty klo 9.50 oppilailta mitatut kortisoliarvot. Kuvasta nähdään, että kortisolitasot ovat huomattavasti korkeampia epäsuoralla valaistuksella varustetussa luokkatilassa E1. Kortisoliarvon määrän kasvusta voidaan päätellä, että oppilaiden stressitasot ovat korkeampia ja he todennäköisesti suoriutuvat paremmin. Kortisoliarvojen tulisi noudattaa tiettyä rytmiä, niiden nousun päiväsaikaan katsotaan olevan hyödyllistä ja illalla arvojen taas tulisi laskea. (Kaisa Jaakkola, Laihdu tasapainottamalla hormonisi) Kuvasta 20 nähdään miten kortisoli- ja melatoniinitasojen olisi hyvä käyttäytyä normaalissa vuorokausirytmissä.
27 Kuva 19. Kortisolitasot oppilailla klo 9.50 luokkatiloissa E1 ja C1. (Fagerhult Influence of ambient light on performance, mood, endocrine systems and other factors of school children, 7.) Kuva 20. Ihanteelliset melatoniini ja kortisolitasot eri vuorokaudenajankohtina. (Philips: Vireyttä valaistuksella) Melatoniinia kutsutaan yöhormoniksi, koska sen eritys on suurimmillaan yöllä pimeän aikaan ja huipussaan keskiyön jälkeisinä tunteina. Melatoniini auttaa elimistön sisäistä kelloa pysymään ajassa säädellen vuorokausirytmiä ja edistäen unensaantia. Sillä on vuorokausirytmin säätelyn ohella muitakin vaikutuksia, kuten esimerkiksi vireystilaan ja puolustusjärjestelmän vahvistukseen. Sen eritys on vähäisempää, jos ihmisellä on stressiä. Tämä on osasyynä siihen, miksi stressi aiheuttaa toisilla unettomuutta. (Tietoaunettomuudesta, Melatoniini)
Edellisellä sivulla esitetystä kuvasta 20 nähdään, että ihanteellisessa rytmissä melatoniinitasojen noustessa kortisoli tasot laskevat. 28 Alla esitetystä kuvasta 21 nähdään, että tutkimuksessa otetut melatoniiniarvot ovat luokassa E1 huomattavasti pienempiä, kuin luokassa C1. Tästä voidaan päätellä, että oppilaat ovat todennäköisesti virkeämpiä. Kuva 21. Melatoniiniarvot oppilailla klo 9.50 luokkatiloissa E1 ja C1. (Fagerhult Influence of ambient light on performance, mood, endocrine systems and other factors of school children, 7.) Kouluarvosanoja vertailtaessa nähdään kuvista 22 ja 23 selvä muutos luokkien C1 ja E1 välillä. Luokan C1 arvosanat (n. 1,5) ovat selvästi heikompia, kuin luokan E1 (n. 2,5) arvosanat. Pimeään vuodenaikaan (syyskuu tammikuu) ero luokkien välillä on selvempi, kuin koko vuoden vertailussa. (Kuva 22.). Matematiikan arvosanoissa tämä ero ei ole niin selvä, mutta se on kuitenkin nähtävissä. Luokkien välinen ero on matematiikankin arvosanoissa selvästi nähtävissä. (Kuva 23.)
29 Kuva 22. Lukemisen arvosanat oppilailla eri ajankohtina suoritettuna luokkatiloissa E1 ja C1. (Fagerhult Influence of ambient light on performance, mood, endocrine systems and other factors of school children, s.6.) Kuva 23. Matematiikan arvosanat oppilailla eri ajankohtina suoritettuna luokkatiloissa E1 ja C1. (Fagerhult Influence of ambient light on performance, mood, endocrine systems and other factors of school children, s.6.)
30 3.4.2 Valon vaikutus oppilaiden suorituskykyyn Osram ja Transferzentrum für Neurowissenschaft und Lernen ('Transfer Center for Neuroscience and Learning') tekivät Saksassa vuonna 2011 koululuokkien valaistusta koskevan tutkimuksen. Tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää, onko biologisesti optimoidulla luokkahuonevalaistuksella mahdollisuus vakaannuttaa vuorokausirytmiä ja siten tukea aamuista vireyttä ja tarkkaavaisuutta. Tutkimuksessa tarkasteltiin erityisesti, voiko päivänvalon kaltainen valo auttaa oppilaita olemaan valppaampia ja keskittyneempiä aamuisin ja saamaan parempia tuloksia kognitiivisissa testeissä. Alla olevasta kuvasta nähdään, että tutkittavan luokkatilan katossa on sinistä taivasta muistuttava kirkas valaistus (Kuva 24.). Kuva 24. Biologisesti optimoitu valaistus luokkahuoneessa. (OSRAM & Transferzentrum für Neurowissenschaft und Lernen, Valon vaikutus oppilaiden suorituskykyyn) Tutkimukseen osallistui kaksi koulua, teknillinen koulu ja ammattikoulu. Molemmista kouluista osallistui kaksi koululuokkaa. Yhteensä opiskelijoita osallistui 68 ja he olivat iältään 17-20 vuotta. Uusi ja biologisesti optimoitu valaistus asennettiin kummassakin koulussa yhteen luokkahuoneeseen, jossa koeryhmän opiskelijat opiskelivat ja suorittivat tutkimuksessa tehdyt kokeet. Molemmissa kouluissa vierekkäinen huone toimi verrokkihuoneena. Koe- ja verrokkiryhmän oppilaille järjestettiin erinäisiä kokeita, joilla arvioitiin suorituskykyä.
31 Biologisesti optimoitujen luokkien valaisimet olivat Sitecon ripustettavia ledvalaisimia (Quadrature II), joiden värilämpötila oli 4000 K. Luokan katto valaistiin epäsuorasti led-moduuleilla. Led moduulit oli varustettu sinisellä ja kylmän valkoisella valolla, jotka loivat tilaan erittäin korkean, päivänvaloa vastaavan 14 000 kelvinin värilämpötilan. Valaistusvoimakkuus ja värilämpötila sovitettiin dynaamisesti oppilaiden vuorokausirytmiin valonsäätöjärjestelmällä. Biologisesti optimoitujen luokkien valaistus asetettiin vastaamaan valaistusvoimakkuudeltaan perinteistä valaistusta; 700 lx pöytäpinnoilla ja vaakasuora valaistusvoimakkuus oli 300 lx. Verrokkihuoneiden valaistusta ei muutettu. Valaisimina toimi nykyiset T5- ja T8-loisteputkivalaisimet. Verrokkihuoneiden valaistukset vastasivat nykyisten standardien vaatimuksia. Ikkunoista saatava luonnonvalon määrä oli verrokkiluokissa lähes identtinen verrattuna biologisesti optimoituihin huoneisiin. Osa oppilaista piti nukkumispäiväkirjaa, jota seurattiin tutkimuksen aikana. Nukkumispäivänkirjan perusteella oppilaat nukkuivat määrällisesti lähes yhtä paljon, mutta biologisesti optimoidun valaistuksen luokassa opiskelleet oppilaat menivät selvästi aikaisemmin nukkumaan verrattuna verrokkihuoneiden oppilaisiin. Tutkimuksen mukaan tasainen valaistus on tärkeä luokkatilojen valaistuksessa, koska silmän fotoreseptorit ovat jakautuneet tasaisesti silmän verkkokalvolle. Fotoreseptorit ovat valoärsykkeitä vastaanottavia elimiä ja mitä useampaa reseptoria stimuloidaan samaan aikaan, sitä paremmat vaikutukset valolla on. Ylhäältä päin tuleva valo stimuloi kaikkein herkimpiä fotoreseptoreita, jotka sijaitsevat verkkokalvon alaosassa. Luonnossa näiden fotoreseptoreiden stimuloinnin hoitaa taivas, mutta sisätiloissa näitä reseptoreita tulee stimuloida ylhäältäpäin, valaisemalla tilojen pinnat tasaisesti tasaisilla valonlähteillä. Osa verrokkiryhmän oppilaista teki viimeisen testin koeryhmän biologisesti optimoidun valaistuksen vaikutuksessa, tästä havaittiin että biologisesti optimoidulla valaistuksella on myös lyhytaikaisia vaikutuksia suorituskykyyn. (OS- RAM & Transferzentrum für Neurowissenschaft und Lernen, Valon vaikutus oppilaiden suorituskykyyn)
32 4 VALAISTUKSEN ENERGIATEHOKKUUS Valaistuksen energiankulutuksen arvioidaan olevan 19 % koko maapallon kokonaissähköenergiankulutuksesta ja Suomessa valaistuksen on arvioitu olevan n.12% kokonaissähköenergiankulutuksesta (Kallasjoki, T. 2011. Energiatehokas valaistus) Valaistuksella on erittäin suuri energiansäästöpotentiaali, etenkin valaisintyyppien kehittymisen ja uuden ohjausteknologian keksimisen myötä. Pääosin valaistuksen energiansäästö tehdään valitsemalla oikea valaisintyyppi, hyödyntämällä päivänvaloa ja liike- /läsnäolotunnistimien avulla. Enston Energiatehokas valaistus -esitteessä on esitetty valaistusalan ja kiinteistönomistajien keskuudessa suoritettu tutkimus. Tutkimuksen mukaan valaistuksen asennuskustannukset ovat vain n. 10% valaistuksen elinkaarikustannuksista ja näin ollen tulisi kiinnittää enemmän huomiota käyttö- ja huoltokustannuksiin, kuin investointikustannuksiin. (Kuva 25.) (Ensto, Energiatehokas valaistus s. 4) Kuva 25. Valaisimien elinkaarikustannukset. (Ensto, Energiatehokas valaistus, s.5) 4.1 Valaisimet ja valonlähteet Valonlähteen oikealla valinnalla pystytään vaikuttamaan merkittävästi energiatehokkuuteen. Seuraavalla sivulla olevasta taulukosta 4 nähdään, että energiansäästön ja kustannusten kannalta valonlähteistä kannattaa tarkastella eritoten valotehokkuutta, sekä polttoikää. Tällä hetkellä elektronisilla liitäntälaitteilla varustettu energiatehokas loisteputkivalaisin ei välttämättä ole energiatehokkuudeltaan huonompi vaihtoehto kuin vastaava led-valaisin. Led-valaisimet tosin kestävät usein polttoiältään pidempään, jolloin huoltokustannukset jäävät pienemmiksi.
33 Taulukko 4. Valonlähteiden vertailu (Sähköturvallisuuden edistämiskeskus: Valonlähteiden vertailua) Lamppujen ominaisuuksia Valotehokkuus lumen/w Polttoikä tuntia Hehkulamppu 11 1000 Halogeenilamppu (230V) 15 1800 Pienoisjännitehalogeeni (12V) 18 3000 Pienloistelamppu ("energiansäästölamppu") 40 10000 Valkea led 75 jopa 60000 Yksikantainen loistelamppu 65 8000 Kaksikantainen loistelmappu 90 15000 Elohopealamppu 50 24000 Monimetallilamppu 100 10000 Suurpainenatriumlamppu 125 20000 Pienpainenatriumlamppu jopa 200 18000 Ominaisuuksia Perinteinen valonlähde, jonka käyttö loppuu huonon energiatehokkuuden takia Hehkulampun kehittyneempi versio, jolla käytöstä poistuva hehkulamppu voidaan korvata. Ongelmana lampun kuumeneminen Lamppu kuumenee jopa vaarallisesti. Tarvitsee muuntajan pienentämään jännitettä Hehkulamppukantaan sopiva loistelamppu. Eräät tyypit syttävät hitaasti. Syttyminen kylmäss hidasta. Kookkaampi kuin hehkulamppu. Jatkuvasti kehittyvä tulevaisuuden valolähde. Ei kestä kuumaa. Pienikokoinen loistelamppu, pistokekannalla Pitkämallinen "loisteputki". Paljon vaihtoehtoja valon sävylle ja värintoistolle Ulkovalaistuksen valolähde, joka jää pois huonon energiatehokkuuden takia. Sinertävä valo. Ulkovalaistuksen valolähde, jossa on valkoinen valo ja hyvä värintoisto Energiatehokas ulkovalaistuksen valolähde. Keltainen valo, huono värintoisto Energiatehokkain valolähde. Räikeän keltainen valo. Käyttö rajoitettua huonon värintoiston takia.
34 Valonlähteen ollessa merkittävä tekijä valaistuksen energiankulutukseen, on myös yhtä tärkeää valita oikea valaisintyyppi. Erilaiset valaisimien heijastinpinnat ja optiikat vaikuttavat miten hyvin valonlähteen tuottama valovirta saadaan ulos valaisimesta. Tätä mitataan valaisimen hyötysuhteella (L.O:R). (Suomen Valoteknillinen Seura, Valaistushankintojen energiatehokkuus) 4.2 Päivänvalon hyödyntäminen Päivänvaloa hyödyntämällä voidaan saavuttaa merkittävä energiansäästö. Pienillä kustannuksilla saadaan rakennettua järjestelmä, jolla on mahdollista säästää energiaa ja parantaa sisäolosuhteita ja näkömukavuutta. Ikkunoista tulevan päivänvalon myötä voidaan tilan valaisimia käyttää pienemmällä teholla ja näin ollen sähköenergiaa kuluu vähemmän. Päivänvalon optimaalinen hyödyntäminen vaatii automaattista verho-ohjausta ja valaistuksen ohjausjärjestelmän, joka mahdollistaa valaistuksen automaattisen säädön päivänvalon mukaan. Käytännössä tilassa on valoisuusanturi, mikä antaa tiedon valon määrästä ja tällä tiedolla valaisimet ohjautuvat himmeämmälle tai kirkkaammalle. Ruotsin energiavirastosta ja Ruotsin suurimpien kiinteistöjen omistajista koostuva yhteenliittymä BELOK teki tutkimuksen, jonka tarkoituksena oli kehittää tekniikoita joilla voidaan hyödyntää päivänvaloa parantamaan sisävalaistusta, häikäisynestoa, sisäilmastoa ja näkyvyyttä ulos. Tutkimuksessa tuotettu kuva 26 havainnollistaa, kuinka suuria vaakatason valaistusvoimakkuuksia auringosta on maanpinnalla saatavilla (>80 000 lx). Kuvan arvot on mitattu toukokuussa Ruotsissa klo 8.00 17.00. Sen katsotaan olevan aika, jolloin päivänvalosta on saatavilla suurin hyöty. Tutkimuksessa oli 2 huonetta; referenssihuone ja testihuone, joista molemmat simuloivat tyypillistä toimistohuonetta. Huoneiden valaisimia ohjataan päivänvalon avulla. Referenssihuoneessa kaihtimet toimivat ilman automaattista ohjausta ja testihuoneessa moottoroidut kaihtimet säätyivät päivänvalon mukaan. Päivänvalosta hyödynnettävän ilmaisen valon määrä on erittäin suuri ja työalueen hyvän valaistusvoimakkuuden ollessa 500 lx on tärkeää, että päivänvaloa hyödynnetään ja ohjataan oikein. (Kuva 26.) (BELOK, Solar shading and Daylight redirection)
35 Kuva 26. Auringon tuottamat vaakatason valaistusvoimakkuuden arvot maanpinnalle erilaisina päivinä ja eri ajankohtina (BELOK, Solar shading and Daylight redirection, s.30) Tutkimuksessa on, myös tutkittu, kuinka paljon sähköenergiaa päivänvalolla on mahdollista säästää valaistuksen osalta. Kuvaajasta 26 nähdään, että energiankulutus on ilman päivänvalon hyödyntämistä 0,71 kwh. Täysin pilvisenä päivänä, kun päivänvaloa hyödynnetään valaistuksessa on sähköenergian kulutus 0,43 kwh ja näin ollen säästöä on 39%. Taivaan olleessa vain osittain pilvinen säästö kasvaa n. 80 prosenttiin ja täysin pilvettömänä päivänä sähköenergian kulutus on n. 89% vähemmän kuin ilman päivänvalon hyödyntämistä. (Kuva 27.) (BELOK, Solar shading and Daylight redirection) Kuva 27. Testihuoneen valaistuksen sähköenergian kulutus erilaisina päivinä ja eri ajankohtina verrattuna referenssihuoneeseen. (BELOK, Solar shading and Daylight redirection, s. 30)
36 4.3 Liike-/läsnäolotunnistus Tiloissa, joissa ei ole yhtäjaksoista käyttöä, on hyvä käyttää valaistuksen ohjaukseen liike-/läsnäolotunnistimia. Liike-/läsnäolotunnistuksella saavutetaan huomattavasti parempi energiatehokkuus ja valaisimien käyttö helpottuu. Enston energiatehokas valaistus esitteessä on laskettu energiankulutus tilanteessa, jossa ensin käytävällä on vanhat asennukset perinteisellä kytkin-/painonappi ohjauksella ja uudessa asennuksessa on liiketunnistinohjaus. (Kuva 28.) Kuva 28. Remontoidun käytävän sähköenergian kulutusvertailu (Ensto, Energiatehokas valaistus, s. 13) Tälle asennukselle kertyi säästöä vuodessa 338 ja näin ollen investointi maksaa itsensä takaisin alle 1,5 vuodessa. (Kuva 29.) Kuva 29. Asennuksen vuotuinen säästö ja investoinnin takaisinmaksuaika. (Ensto, Energiatehokas valaistus, s. 13)
37 5 TAMKIN TILOJEN SUUNNITTELU JA VALAISTUSRATKAISUT Luvuissa 3.3-3.5 ja luvun 4 vaatimusten ja näkökohtien perusteella suunniteltaviin tiloihin valittiin tietynlaiset ratkaisut. Tässä luvussa käydään läpi tekniset ratkaisut, joiden avulla luokkiin saadaan asetetut vaatimukset täyttävä ja mahdollisimman hyvin tilaa ja käyttäjiä palveleva valaistus. 5.1 Tilojen valaistuksenohjaus Valaistuksen ohjauksessa käytettiin väylätekniikoita, koska niillä pystytään hyödyntämään helposti päivänvaloa ja läsnäolotunnistusta. Väylätekniikoiksi valittiin DALI ja KNX, jotta valaisimiin saataisiin hyvä säädettävyys ja muuntojoustavuus. Molempiin järjestelmiin on mahdollista lisätä tulevaisuudessa automaattinen aurinkosuojausjärjestelmä. Kaapelointi kustannusten säästämiseksi osa painonappi ohjauksista toteutetaan langattomalla EnOcean-ohjausjärjestelmällä. Valaistuksenohjausjärjestelmä haluttiin integroida muihin järjestelmiin ja mahdollisesti tulevaisuudessa laajentaa, jonka vuoksi järjestelmässä on useita reititin- ja palvelin kokonaisuuksia. Valaistuksen ohjausjärjestelmän periaate ja topologiat on esitetty valaistuksen ohjausjärjestelmän periaatekaaviossa, joka löytyy liitteenä (Liite 1.). Tulevissa alaluvuissa esitellään valaistuksenohjausjärjestelmään suunnitellut laitteet ja laitteiden sijainnit. 5.1.1 DALI järjestelmä ja laitteisto Tällä hetkellä Suomessa yleisimmin käytetty kehittynyt valaistuksenohjaustekniikka on DALI. DALI-kirjainyhdistelmä tulee sanoista Digital Addressable Lighting Interface, mikä tarkoittaa osoitteellista valaistuksen ohjausväylää. Ohjausjärjestelmässä laitteet liittyvät väylään, jonka muoto (topologia) on vapaa, mutta pituus rajoitettu. Väylänä toimii kaksijohtiminen väylä, joka voidaan asentaa saman johtovaipan sisään ryhmäjohdon kanssa. Väylään liitettäviä laitteita ovat: Loistevalaisimien DALI-liitäntälaitteet (säädettävä) Releyksiköt (päälle - pois ) DALI-säätimet
38 Ohjaimet, käyttöpainikkeet Sisääntuloyksiköt (kosketintietoja) Sensorit (läsnäolo, valoisuus) Verhomoottoriohjain Sovittimet (analogia, DSI) Reitittimet Elektroniset muuntajat (pienjännitehalogeenivalaistus) (Ensto, DALI) Seuraavalla sivulla olevassa kuvassa 32 esitetään DALI järjestelmän topologia. Valaisimille syötetään normaali verkkojännite (230 VAC) ja se on kytkettynä valaisimilla koko ajan, vaikka valaisimet eivät olisikaan ohjattuina päälle. Kuva 32. DALI järjestelmän topologia (Ensto, DALI) DALI-järjestelmän ohjelmointi tapahtuu PC:llä. Ohjelmointityökaluja on eri laitevalmistajilla. Pieniä järjestelmiä on mahdollista ohjelmoida, myös paikallisilla painonappiyksiköillä.
39 5.1.2Helvar reititinjärjestelmä Helvarin reititinjärjestelmällä mahdollistetaan erillisten DALI verkkojen yhteys ja kommunikointi DALI-järjestelmään etänä. Reitittimiä on eri malleja ja niissä on erilaisia rajapintoja muihin väylätekniikoihin ja järjestelmiin, kuten DMX:ään, jota käytetään usein vaativimmissa esitysvalaistuksissa. Digidim 910 DALI reititin Tässä työssä käytetyn reitittimen malli on Digidim 910.(Kuva 31) Reititin mahdollistaa erillisten DALI-verkkojen yhdistämisen lisäksi; järjestelmän ohjelmoimisen ja valvonnan tietoverkon kautta. Digidim 910-reitittimeen voidaan kytkeä kaksi DALI-aliverkkoa, joka mahdollistaa jopa 128 DALI-laitteen toiminnan. Reitittimiä voidaan tietoverkon kautta liittää toisiinsa 100 kappaletta, jolloin reititinjärjestelmä kattaa jopa 12 800 DALI-laitteen yhteyden. Erilaiset DALI laitteet vaativat kuitenkin DALI väylältä eri suuruisen virran, joten laitteiden määrä tulee laskea tarkemmin. Esimerkiksi tässä työssä useiden mikroaaltotunnistimien ottaessa normaalitilanteessa suuren virran (20 ma) DALIväylältä, syötetään ne ulkoisella teholähteellä. Tarkemmat kytkennät löytyvät liitteenä olevista piirikaavioista (Liite 2.) ja valaistuskeskuksen pääkaaviosta (Liite 3.) Sijainti: Valaistuskeskus VK Kuva 30. Digidim 910 reititin ja sen sijainti.
40 Digidim 8800 usee käyttöliittymä Digidim 8800 käyttöliittymä mahdollistaa reaaliaikaisen valaistusjärjestelmän energiankulutuksen seurannan ja dokumentoinnin, sekä valaistustilanteiden muuttamisen ja ohjauksen. Lisäksi käyttöliittymä mahdollistaa helpon hälytysten käsittelyn, kuten esimerkiksi ilmoituksen viallisista lampuista. Digidim 8800 usee käyttöliittymän keskuslaite ja sen sijainti on esitetty alla olevassa kuvassa 31. Sijainti: Valaistuskeskus VK Kuva 31. Digidim 8800 usee käyttöliittymä ja sen sijainti. Digidim 510 USB-DALI liityntä A2-19B olosuhdetilan erillisen DALI järjestelmän ohjelmointi tehdään paikallisesti, eikä tietoverkon kautta. Näin ollen tilaan asennetaan USB-DALI liityntä, jolloin tietokone saadaan yhdistettyä helposti DALI väylään ja ohjelmoitua järjestelmä. USB-DALI liityntä ja sen sijainti on esitetty seuraavalla sivulla olevassa kuvassa 32.
41 Sijanti: A2-19B Kuva 32. Digidim 510 USB-DALI liityntä ja sen sijainti. (Helvar, Tuotteet) Digidim 402 DALI virtalähde Sijainti: A2-19B keskus Kuva 33. Digidim 402 virtalähde ja sen sijainti. (Helvar, Tuotteet) A2-19B DALI järjestelmän väylä syötetään Digidim 402 virtalähteellä. Virtalähteen syöttämä virta on maksimissaan 250 ma. Virtalähde ja sen sijainti on esitetty yllä olevassa kuvassa 33. Digidim 307 kaukosäädin Kaukosäätimellä on mahdollista säätää työssä käytettyjen Digidim liiketunnistimien herkkyys. Kaukosäädin on esitetty seuraavalla sivulla olevassa kuvassa 34.
42 Kuva 34. Digidim 307 kaukosäädin Digidim 311 PIR liiketunnistin PIR lyhenne tulee sanoista Passive Infrared eli passiivinen infrapuna. PIRliiketunnistin tunnistaa infrapunasäteilyn voimakkuuden nopeat vaihtelut, jotka johtuvat ihmisen kehon lämmöstä tai muun lämmönlähteen liikkeestä. Tässä tilanteessa liiketunnistin lähettää muutoksesta tiedon DALI-väylälle. Tunnistimessa on herkkyyden säätö ja em. kaukosäätimellä voidaan säätää miten herkästi tunnistin antaa läsnäolotiedon. Seuraavalla sivulla olevasta kuvasta 36 nähdään, että liiketunnistimen maksimi tunnistusetäisyys on 7m. Liiketunnistin ja niiden sijainnit on esitetty alla olevassa kuvassa 35. Sijainti: Käytävä Kuva 35. Digidim 311 PIR liiketunnistin ja niiden sijainnit. (Helvar, Tuotteet)
43 Kuva 36. Digidim 311 liiketunnistimen tunnistusalue. (Helvar Digidim 311, Datasheet) Digidim 312 multisensori Digidim 312 multisensori tunnistaa ikkunoista tilaan tulevan valon ja säätää valaisimien tehoja niin, että sama valaistustaso pysyy. Multisensorissa on myös liiketunnistin (PIR), mutta mikroaaltotunnistimen tarkkuus on parempi ja se havaitsee liikkeen herkemmin. Tämän vuoksi luokkatiloihin A2-19 ja A2-21 on multisensorin lisäksi suunniteltu mikroaaltotunnistimet. Seuraavalla sivulla esitetystä kuvasta 38 nähdään, että työtason päivänvalon havaitsemisen halkaisija multisensorilla on 5,2 m. Multisensori ja niiden sijainnit on esitetty alla olevassa kuvassa 37. Sijainti: A2-19 A2-19B A2-21 Kuva 37. Digidim 312 multisensori ja niiden sijainnit. (Helvar, Tuotteet)
44 Kuva 38. Digidim 312 multisensorin päivänvalon tunnistusalue. (Helvar Digidim 312, Datasheet) Digidim 313 mikroaaltotunnistin Mikroaaltotunnistin lähettää mikroaaltopulsseja ja vastaanottaa niiden heijastuneen kaiun. Tunnistin tunnistaa muutoksen pulssin vaihtelun ja kaiun väliajassa ja lähettää tiedon liikkeen havaitsemisesta DALI -väylälle. Mikroaallot läpäisevät ohuita rakenteita, kuten ovia ja väliseiniä. Tunnistimessa on herkkyyden säätö, jolla voidaan säätää miten herkästi tunnistin antaa läsnäolotiedon. Seuraavalla sivulla olevasta kuvasta 40 nähdään, että liiketunnistimen maksimitunnistusetäisyys on huomattavasti suurempi kuin multisensorin. Mikroaaltotunnistin on herkempi kuin PIR liiketunnistin, jonka vuoksi se sopii paremmin läsnäolotunnistukseen. Mikroaaltotunnistin ja niiden sijainnit on esitetty alla olevassa kuvassa 39. Sijainti: A2-19 A2-21 Kuva 39. Digidim 313 mikroaaltotunnistin ja niiden sijainnit. (Helvar, Tuotteet)
45 Kuva 40. Digidim 313 mikroaaltotunnistimen tunnistusalue. (Helvar Digidim 313, Datasheet) Digidim 135W painonappiyksikkö Olosuhde tilan A2-19B:n valaistustilanteiden kutsumiseen käytetään Digidim 135W painonappiyksikköä. Painonapit on ohjelmoitavissa halutulla tavalla DALI väylän kautta. Painonappiyksikkö on esitetty alla olevassa kuvassa 41. Sijainti: A2-19B Kuva 41. Digidim 135W painonappiyksikkö ja sen sijainti. (Helvar, Tuotteet) 5.1.3 KNX järjestelmä ja laitteisto KNX on kiinteistöautomaatiostandardi, jonka avulla saadaan ohjattua ja integroitua vaivattomasti erilaisia laitteita ja järjestelmiä. Standardi mahdollistaa avoimen järjestelmän luonnin, jossa ei ole merkitystä, minkä valmistajan tuotteita käyttää. Tuotteiden valvonta on tarkkaa ja se takaa tuotteiden saumattoman toiminnan yksinkertaisena verkkona. Järjestelmän laitteet kommunikoivat kaksijohtimisen väylän kautta keskenään ilman keskitettyä tietokonetta. Anturit ja il-
46 maisimet antavat komentoja ohjausväylän kautta erinäisille toimilaitteille, jotka ohjaavat talon tai järjestelmän toimintoja. (KNX.fi, KNX Ammattilaisille) Tiedonsiirto väylänä toimii yksinkertainen kierretty parikaapeli, valokaapeli, langaton yhteys tai normaali sähköverkon kaapelointi. KNX järjestelmän toimintoja voidaan ohjata erilaisilla kytkimillä, painikkeilla, ohjauspaneeleilla tai kauko-ohjatusti esimerkiksi matkapuhelimen välityksellä. Ohjelmointi tapahtuu PC:llä KNX:n oman ohjelmointityökalu ETS:n avulla. (KNX.fi, KNX-standardi) KNX:n käyttökohteita: valaistus lämmitys, jäähdytys, ilmastointi palo- ja murtohälytys äänentoisto ja kuvajärjestelmät kodinkoneet säle- ja rullaverhot sekä markiisit julkisivujen ohjaukset automaattinen ikkunoiden ohjaus energiankulutuksen hallinta ja ohjaus mittarointi valvomosovellukset (KNX.fi, KNX Ammattilaisille) Valaistuksenohjauksen toteuttaminen KNX:llä vaatii erikseen gatewayn DA- LI:iin tai käytettäväksi perinteisiä valaistusohjaustapoja, sillä KNXjärjestelmässä ei ole erikseen KNX-liitäntälaitteella varustettuja valaisimia. Seuraavalla sivulla esitetyssä kuvassa 43 on KNX/DALI-gatewayn esimerkkitopologia. Tässä työssä käytetty KNX/DALI-gateway on esitetty tarkemmin tämän työn sivulla 52.