Denní osvětlení budov a denní světlo v čase

„Splnit zadaný úkol a podat zprávu o historii denního světla není jednoduché. Přes všechno úsilí bude ten dějepis nutně děravý, přestože článek bude velmi dlouhý a bude vycházet na pokračování,“ uvádí svůj text doc. Ing. Jan Kaňka, Ph.D.

Z hlediska časového jsou mezery v historii způsobeny skutečností, že se autor denním světlem nezabývá dlouho. Prakticky až od společenské změny na začátku devadesátých let a od vzniku České republiky. Předtím projektoval pozemní stavby a studoval stavební akustiku. Stavební světelná technika se ve společném státě rozvíjela hlavně na Slovensku [1]. Naši slovenští přátelé by proto jistě byli schopni mnohé chybějící doplnit. Druhou příčinou neúplnosti zde popisované historie je profesní zaměření autora, který je jen stavebním inženýrem. K tomuto článku by jistě mohli mnohé dodat ekonomové, architekti, developeři – a hlavně lékaři. Neboť přítomnost denního světla a přímého slunečního záření v bytech nepochybně souvisí se zdravím obyvatel. Lékařské posouzení těchto vlivů dnes v domácí literatuře a na odborných konferencích chybí. Hledání někoho, kdo se u nás z hlediska zdraví a zdravotní prevence na medicínské úrovni těmito vlivy odborně zabývá, by bylo asi velmi obtížné. Jakkoli jsou zdravotní souvislosti denního světla a slunečního záření popsané v tomto článku logické (a proto snad i přesvědčivé), bez medicínského vzdělání autora zůstávají amatérské.

Osvětlením budov se zabývá technická disciplína stavební světelná technika. Je třeba rozlišovat mezi prosluněním a denním osvětlením budov. Proslunění znamená dopad přímých slunečních paprsků, zatímco denní osvětlení je zajišťováno přímým slunečním světlem i světlem rozptýleným v atmosféře. Posuzování denního osvětlení používá model zatažené oblohy, při kterém je vliv přímého slunečního záření vyloučen. Důsledkem je skutečnost, že proslunění budov závisí na orientaci ke světovým stranám, zatímco denní osvětlení je na této orientaci nezávislé. Denní světlo i sluneční paprsky jsou přiváděny do interiéru osvětlovacími otvory (okny, světlíky a světlovody).

Obr. 1 – Sluneční záření nás provází odpradávna. Jsme mu dokonale přizpůsobení.

Dávné počátky

Každá správná historie by měla začínat obvyklými slovy: „Již staří Římané svítili denním světlem…“ Nebo něco podobného. Na antické impérium jistě v tomto textu také dojde, ale k úplným začátkům je třeba se vrátit do mnohem dřívějších dob. Nejspíše do prahor (archaikum, zpětný posun o 4,0 až 2,5 miliard let), kdy v pravěkém moři vznikaly první živé organismy, bakterie a sinice. Už tyto první organismy se musely vyrovnat s denním světlem a slunečním zářením, se střídáním dne a noci, třebaže bylo v té době otáčení naší planety rychlejší a den trval kratší dobu. Slunce pak svítilo na všechny naše předky od bakterií a sinic přes strunatce a primáty až po nás. Proto jsme na sluneční záření zvyklí a jsme mu dokonale přizpůsobeni. Nemůžeme bez něj žít.

Ze starých Římanů se denním světlem zabýval Marcus Vitruvius Pollio. Jednoduchý způsob posouzení denního osvětlení vnitřních prostor stavby popsal už v 1. století před naším letopočtem ve svém spise Deset knih o architektuře [2]. Příslušnou pasáž lze najít v šesté kapitole šesté knihy v článku, který rovněž nese označení číslo 6.

Obr. 2 – k odvození vztahu (5)

6. Omniaque aedificia ut luminosa sint, oportet curari; sed quae sunt ad villas, faciliora videntur esse, ideo quod paries nullius vicini potest obstare, in urbe autem aut communium parietum altitudines aut angustiae loci inpediundo faciunt obscuritates. itaque de ea re sic erit experiundum. ex qua parte lumen oporteat sumere, linea tendatur ab altitudine parietis, qui videtur obstare, ad eum locum, quo oporteat inmittere, et si ab ea linea, in altitudinem cum prospiciatur, poterit spatium puri caeli amplum videri, in eo loco lumen erit sine inpeditione.

6. Je nutno postarat se i o to, aby všechny budovy měly dobré osvětlení; u venkovských dvorců je to však zřejmě dost snadné, poněvadž u nich nemůže v cestě stát zeď žádného souseda, kdežto ve městě jsou na překážku a působí šero buď vysoké společné zdi, nebo příliš stěsnaný prostor. Na to je třeba provést zkoušku: Na straně, ze které má přicházet světlo, se vede přímka z vrcholu zdi, která se zdá překážet, až k místu, kam se má osvětlení zavést. Jestliže při pohledu po této přímce je možno zahlédnout značnou část čistého nebe, nebude na onom místě přístup světla rušen.

Vitruviův spis po celý středověk sloužil jako učebnice stavitelství a urbanismu. Proto byl často opisován a dochoval se až do dnešních dob ve více než padesáti rukopisech. Nejstarší známý opis tohoto díla pochází z 9. století našeho letopočtu. Kopie byly nalezeny například v St. Gallenu, Cluny, Canterbury a Oxfordu. Známá je Vitruviova charakteristika architektury známá jako tzv. Formula Vitruvia: Stavba musí být trvanlivá (firmitas), užitečná (utilitas) a krásná (venustas). Ve svém pojednání o denním světle Vitruvius předjímal skutečnost, že požadavky na denní osvětlení budov limitují urbanismus (ve městě působí šero vysoké společné zdi nebo příliš stěsnaný prostor). V naší technické normalizační komisi by ale dnes jeho návrh na hodnocení denního světla neprošel. Jeho požadavek není dost jednoznačný, protože neuvádí, jak konkrétně velkou část nebe je nutno z posuzovaného místa vidět.

Obr. 3 – nevhodné umístění dvoulůžka

Zatažená obloha

Autor článku si troufá tvrdit, že kolegové, kteří navrhují a posuzují elektrické (umělé) osvětlení, mají mnohem jednodušší pozici. Týká se to dvou věcí: intenzity a umístění zdroje světla. Měření umělého světla je relativně jednoduché. Provádí se nejlépe v noční době, aby denní světlo nerušilo. Po spuštění elektrického osvětlení se chvílí vyčká, až se světelný tok ustálí, a může se měřit. Zdroj denního světla se neustálí nikdy. Tímto zdrojem je obloha, jejíž světelnětechnické vlastnosti se neustále mění v závislosti na atmosférických podmínkách (oblačnosti), denní i roční době. Stav oblohy jako zdroje světla není možno ani na minutu dopředu předpovědět. Při stanovení požadavků na denní osvětlení je nejdříve třeba určit, při jakém stavu oblohy se bude osvětlení posuzovat. Nejméně světla je v zimním období při zatažené obloze. Jednoduchým modelem takové situace je tedy zatažená obloha s konstantním jasem (uniform sky). Tento model používal švýcarsko-německý fyzik, matematik a astronom, zakladatel fotometrie Johann Heinrich Lambert (1728–1777). Je možno si představit, že stojíme uprostřed koule z mléčného skla, která má ve všech místech svého vnitřního povrchu stejný (konstantní) jas L (cd·m^–2). Osvětlenost E_h (lx) vodorovné roviny celou touto oblohou lze stanovit podle vztahu:

E_h = π · L           (1)

Výhodou tohoto modelu oblohy je jeho jednoduchost, avšak model se poněkud míjí s realitou. V důsledku světelné interakce mezi terénem a spodní vrstvou oblaků je skutečná úplně zatažená obloha ve svém zenitu jasnější než na svém obzoru. V roce 1942 vědecká manželská dvojice prof. Parry Moon a dr. Domina Eberle Spencer popsali model oblohy s gradovaným jasem, který pak v roce 1955 Mezinárodní komise pro osvětlování (CIE – Commission internationale de l‘éclairage) doporučila jako standard CIE 1 : 3 pro výpočty denního osvětlení. V roce 1973 CIE doplnila standard o model jasné oblohy, který byl navržen doc. Richardem Kittlerem z Ústavu stavebnictví Slovenské akademie věd, a konečně v roce 2003 CIE přijala (opět s přispěním doc. Kittlera) 15 modelů standardní oblohy, které zahrnují oblohy zcela zatažené, oblohy jasné i řadu stavů přechodných. To už ale předbíháme. Vraťme se k modelu oblohy Moon-Spencer.

Tento model, který je známý jako zatažená obloha CIE 1 : 3, má v zenitu 3× větší jas oproti jasu na horizontu. Jas oblohy L (cd·m–2) závisí na výškovém úhlu γ (°) nad horizontem podle vztahu:

L = L_z · 1/3 (1 + 2 sin γ)           (2)

Lz (cd·m–2) je jas v zenitu. Průměrný jas Lm (cd·m–2) oblohy lze nalézt v místě s výškovým úhlem γm (°), pro který platí sin γm = 2/3. Pomocí průměrného jasu Lm (cd·m–2) této oblohy lze jas v místě s výškovým úhlem γ (°) stanovit pomocí vztahu:

L = L_m · 3/7 (1 + 2 sin γ)           (3)

Dosazením γ = π / 2 do předchozího vztahu obdržíme relaci mezi průměrným jasem L_m (cd·m^–2) a jasem L_z (cd·m^–2) v zenitu.

L_z = 9/7 L_m           (4)

Osvětlenost E_h (lx) vodorovné roviny celou oblohou CIE 1 : 3 lze získat integrací s využitím vztahu (2) a geometrických souvislostí naznačených na obrázku 2 a konečně i s využitím vztahu (4):

E_h = 2/3 π L_z ∫₀^(π/2)(sin γ + 2 sin² γ) cos γ · dγ = 7/9 π L_z = π L_m           (5)

Porovnáním tohoto výsledku se vztahem (1) si uvědomíme souvislost mezi oblohou s konstantním jasem a oblohou CIE 1 : 3. Obě oblohy na vodorovnou rovinu svítí stejně. U oblohy CIE 1 : 3 došlo pouze k přerozdělení jasů v závislosti na výškovém úhlu γ (°) ve prospěch zenitu.

Z předchozích řádků je zřejmé, že si autor zataženou oblohu CIE 1 : 3 skutečně oblíbil. Není divu. Pan profesor Moon s doktorkou Spencerovou ji vymysleli geniálně.

Obr. 4 – subjektivní vnímání světla během dne se zataženou oblohou

Dlouhodobý pobyt

Jak už bylo napsáno, výhoda návrhu elektrického osvětlení se týká dvou věcí: intenzity a umístění zdroje světla. O intenzitě bylo pojednáno v předchozím textu. Teď ještě o tom umístění. Pro umístění elektrického zdroje světla existuje jen málo omezujících limitů. Potřebné připojení k elektrické síti lze sjednat skoro všude. Ovšem zdrojem denního světla v budově jsou osvětlovací otvory (okna, světlíky, světlovody), které mohou být umístěny jen v obvodovém plášti budovy. V důsledku toho v budovách vždy dochází k nerovnoměrnému působení denního světla. U oken bude světla více, avšak do hloubky interiéru bude světla ubývat. V budovách se vyskytují i prostory bez oken, a tedy i bez denního světla. V poslední době lze k osvětlení takových prostor použít světlovody. Denní osvětlení souvisí s provozem budovy. U oken budou pobývat lidé dlouhodobě. Zejména ti se zrakově náročnou prací. Dále od oken budou pracoviště bez většího nároku na zrakovou práci a pracoviště charakterizovaná krátkodobým pobytem při elektrickém osvětlení. Definice dlouhodobého pobytu (dříve trvalý pobyt) je více než 8 hodin za denního světla během jednoho dne a více než jednou týdně.

I v obytných místnostech lze uvažovat o vymezení dostatečně osvětleného prostoru k dlouhodobému pobytu. Oproti jiným provozům (škola, administrativa, pracoviště) mají obytné místnosti výhodu ve svobodě pohybu svých uživatelů. S výjimkou dlouhodobě nemocných má uživatel bytu vždy možnost dojít si k oknu a tam si užívat denního světla, případně i slunečního záření. K místům krátkodobého pobytu v bytě patří místo přípravy a konzumace jídla, místo k převlékání a prostory sloužící k hygieně nebo jako komunikace. Současným nedostatkem našich technických norem je skutečnost, že tyto normy nikde nedefinují, jak velké mají být zóny s dostatečným denním osvětlením v obytných místnostech. Příslušná technická normalizační komise tento nedostatek aktuálně řeší.

Obr. 5 – Daniljukovy úhlové sítě

Také místo ke spaní je nutné považovat za prostor dlouhodobého pobytu s potřebou dostatečného denního osvětlení. Přestože se pobyt odehrává v noci, je denní světlo důležité ráno při probuzení. Synchronizuje naše vnitřní biologické hodiny. Fungování nejen organismu člověka, ale všech organismů (i sinic, bakterií, hmyzu, strunatců a primátů) podléhá změnám v cirkadiánním rytmu. Tato závislost stavu organismu na denním světle, na střídání dne a noci, je v současnosti předmětem intenzivního výzkumu. Představa ložnice, která může být bez dostatečného přístupu denního světla, protože spánek přece probíhá v noci (tedy ve tmě), se ukazuje být jako dokonale lichá. Právě ložnice má být co nejvíce osvětlená denním světlem, protože světlo nás ráno zdravě nabudí k aktivnímu životu během následujícího dne. Významní architekti proto ve svých projektech vil kreslili ložnice na východní straně objektu. V poslední době se objevují úsporná řešení, se kterými nelze souhlasit. Umísťování dvoulůžek v hloubce místnosti do stísněného prostoru mezi dvěma zdmi (obr. 3), kde tyto zdi zcela oddělují lůžka od denního světla, je velmi smutným nešvarem poslední doby. Uživatelům se upírá denní světlo právě tam, kde ho pro své zdraví nejvíce potřebují. Jak se na takovém lůžku bude cítit dlouhodobě nemocný? Provozně je navíc toto uspořádání velmi nevýhodné. Ve třiceti letech většina uživatelů bytů „vhupne“ do postele bez problémů odkudkoli. Co ale budou dělat, až jim bude 70 let? Dovolí jim revmatismus vůbec ulehnout? Kam si umístí brejle, zubní protézu, sklenici vody a SOS medikaci?

Množství denního světla

Kritériem množství denního světla je činitel denní osvětlenosti D (%). Stanoví se jako poměr mezi osvětleností E (lx) v daném místě (například v místnosti uvnitř budovy) a horizontální exteriérovou osvětleností Eh (lx). Činitel denní osvětlenosti se udává v procentech.

D = E / E_h ·100 %           (6)

Postup měření denního osvětlení stanoví česká technická norma [3]. Nejdříve se jasoměrem ověří, zda je obloha skutečně zatažená, tj. zda rozložení jasů v závislosti na výškovém úhlu γ (°) se v přípustných tolerancích podobá teoretickému modelu CIE 1 : 3. K vlastnímu měření je pak třeba dvou luxmetrů. Jedním se měří osvětlenost E (%) ve sledovaném místě uvnitř budovy, zpravidla na srovnávací rovině ve výšce 0,85 m nad podlahou (v mateřských školách 0,45 m a v tělocvičnách v úrovni podlahy), druhým luxmetrem pomocník současně měří horizontální exteriérovou osvětlenost Eh (lx) na vodorovné nestíněné rovině na nedalekém fotbalovém hřišti nebo na střeše budovy. Velmi důležitá je časová koordinace takového měření. Nezbytnou výbavou měřičů denního osvětlení je proto vysílačka nebo alespoň mobil. I při poměrně stálé oblačnosti se osvětlenost během dne velmi rychle mění, třebaže se nám zdá, že od rozednění do soumraku zůstávají světelné podmínky konstantní. Jedná se ale o šálení smyslů. Luxmetr ukáže něco jiného (obr. 4). Náš zrak má úžasnou schopnost adaptace. Nastavením průměru zornice a zejména změnou citlivosti sítnice zrak kolísání jasu dokonale vyrovnává.

Obr. 6 – Waldramův diagram

Dnů, při kterých lze měřit denní světlo, není příliš mnoho. Vyskytují se hlavně na podzim a v zimě, pokud na zemi neleží sněhová pokrývka. Dokládat při kolaudaci množství denního světla měřením proto není zvykem. Až do poslední chvíle před kolaudací nejsou místnosti uklizené, okna nejsou umytá a nejbližší termín možného měření bývá někdy na podzim. Proto se množství denního světla dokládá téměř výhradně jen teoretickým výpočtem podle metodiky, kterou stanoví technická norma. V době předpočítačové se ke stanovení činitele denní osvětlenosti D (%) používaly různé grafické metody. Ze známých lze jmenovat Daniljukovy úhlové sítě (obr. 5), Waldramův diagram (obr. 6), protraktory a nomogramy BRS nebo protraktory docenta Kittlera.

Dnes se dává přednost počítačovým programům. Výsledek výpočtu závisí na mnoha proměnných okolnostech, jako jsou jas stínících překážek, míra znečištění osvětlovacího otvoru nebo odraznost vnitřních povrchů (stěn, stropu a podlahy) místnosti. Kvůli jednotnosti posuzování jsou některé z těchto vlastností pro výpočet předepsány technickou normou. Realita pak ale může být docela jiná. Před oknem stojí dům s výrazně tmavou fasádou, okno dlouho nikdo neumyl a uživatelé místnosti si koupili tmavý nábytek a podlahu pokryli tmavým kobercem. Autor se ve své praxi setkal i s ložnicí s černě vymalovaným stropem posetým lesklými hvězdičkami. Z těchto důvodů se nedoporučuje měřit denní světlo ani při řešení stížností.

Obr. 7 – k vysvětlení pojmů precese a nutace

S ještě výraznějším rozporem mezi skutečností a teoretickým výpočtem se lze setkat u požadavků na proslunění. I takové požadavky ve světě a v Evropě [4] existují, třebaže z naší převážně ekonomicky orientované legislativy už zmizely. Poloha slunce na obloze je dána astronomickým azimutem A (°) (odklonem od jižního směru) a výškovým úhlem γ (°) nad obzorem. K výpočtu těchto dvou úhlů postačí tři údaje, kterými jsou zeměpisná šířka φ (°), deklinace δ (°) a hodinový úhel τ (°). Zeměpisná šířka φ (°) je dána geografickou polohou místa, deklinace δ (°) nabývá různých hodnot v průběhu roku a hodinový úhel τ (°) se mění během každého dne. Evropská norma [4] pro celou Českou republiku stanoví hodnotu φ = 50,1°, avšak nejsevernější místo naší republiky vykazuje hodnotu φ = 50,056 ° a místo nejvíce na jihu hodnotu φ = 48,552 °. Deklinace δ (°) souvisí s oběhem naší planety okolo Slunce a s odklonem zemské osy od roviny tohoto oběhu. Problémem je, že v důsledku precese a nutace (obr. 7) se tento odklon z roku na rok mění. Můžeme si povšimnout, že doba jarní rovnodennosti připadá sice na den 21. března, ale některý rok nastává i 20. března nebo 22. března. Přesné hodnoty deklinace pro každý rok lze najít v astronomických ročenkách. Posuzovat proslunění budov podle těchto hodnot by ale bylo extrémně nevýhodné. Mohlo by se i stát, že některý rok by proslunění vyhovělo stanoveným požadavkům, ale jiný rok ne. Proto se výpočty polohy Slunce na obloze pro účely posuzování proslunění provádějí pomocí jednotné (i když mírně nepřesné) metody, kterou stanoví technická norma [4].

Rozumně se nechová ani hodinový úhel τ (°). Jeho hodnota se stanoví podle vztahu:

τ = 15 (t – 12)           (7)

Zde je t (hod) čas během dne udávaný v hodinách. Problém je v tom, že čas na našich hodinkách (občanský čas) je jiný než pravý sluneční čas, který v přírodě skutečně probíhá. Dnem se rozumí časový rozdíl mezi dvěma za sebou následujícími okamžiky, ve kterých nastává půlnoc. Naše planeta se za ten čas otočí okolo své osy o 360 °, ale protože se během této doby na své dráze přemístila o průměrně β = 360/365,25 °, je do půlnoci třeba se pootočit navíc o právě tento úhel β (°). V průběhu dne se tak planeta otočí kolem své osy o 360 ° + β (obr. 8).

 

Obr. 8 – schéma pohybu planety Země během jednoho dne	Obr. 9 – ke druhému Keplerovu zákonu

V důsledku 2. Keplerova zákona (obr. 9) má ale pohyb planety okolo Slunce proměnnou rychlost. Průvodič planety za stejný čas opíše stejnou plochu. V perihéliu je úhlová rychlost největší a v aféliu je nejmenší. Úhel β (°) proto nemá po celý rok stejnou hodnotu. Výsledkem je skutečnost, že během roku se mění délka pravého slunečního dne. Občanský čas (ten podle našich hodinek) předpokládá kruhový pohyb planety konstantní rychlostí. Proto se občanský čas v jistou část roku oproti pravému slunečnímu času předbíhá a jindy zase zpožďuje, přičemž rozdíl činí cca +/– čtvrt hodiny. K dalším časovým změnám dochází v důsledku geografické polohy. Středoevropský čas platí na poledníku s hodnotou λ = 15 ° východní zeměpisné délky, avšak nejvýchodnější místo naší republiky má hodnotu λ = 18,859 ° a místo nejvíce na západě hodnotu λ = 12,091 °. Na východě se tak slunce oproti středoevropskému času o cca 15,4 minut předbíhá a na západě se o cca 11,6 minut zpožďuje. Kdybychom se při měření proslunění dívali na svoje hodinky, jistě bychom se divili, jak se výsledky měření s teoretickými výpočty rozcházejí. V technických normách [5] je proto měření proslunění budov přímo zakázáno a prokazuje se pouze výpočtem.

Nesoulad mezi výsledky měření a výsledky teoretického výpočtu je obecnou vlastností přírodních procesů a netýká se jen denního světla a proslunění budov. Při tvorbě norem se tímto nesouladem generuje rozpor mezi potřebou jednoznačnosti posuzování a mírou přesnosti pozorování. Protože rozhodování podle metodik uváděných v normách může mít v praxi závažné právní důsledky, autor tohoto článku při tvorbě norem doporučuje dávat vždy přednost jednoznačnosti metodiky před usilováním o její co největší přesnost.

Autor: doc. Ing. Jan Kaňka, Ph.D.

---

Literatura:

1. KITTLER, R. – KITTLEROVÁ, L: Návrh a hodnotenie denného
   osvetlenia. Bratislava: Alfa 1975
2. VITRUVIUS, M. P: De architectura libri decem, Řím 1 st. př. n. l.,
   OTOUPALÍK, A. Deset knih o architektuře. Praha: Svoboda, 1979
3. ČSN 360011-2+Z1 (2019) Měření osvětlení prostorů –
   Část 2: Měření denního osvětlení
4. ČSN EN 17037+A1 (2023) Denní osvětlení budov
5. ČSN 734301+Z3 (2012) Obytné budovy