Daylight and Energy Conditions in Compact Schools - A Case Study

IMT-rapport nr. 46 fra 2012 fant fellestrekk mellom mange av vinnerprosjektene i arkitektkonkurranser for skoler rundt om i landet. Mange prosjekter var preget av såkalte vridde klasserom med en av kortveggene som fasadevegg. (Houck 2012) Denne oppgaven har undersøkt hvordan dagslysforholdene kan være i et slikt representativt dypt og vridd klasserom. Videre er det undersøkt den energimessige effekten av en alternativ helhetlig utforming med dagslys som prioritet. Dette ble gjort gjennom en case studie basert på et eksisterende referanseprosjekt. Dagslysforholdene er vurdert ved bruk av den klimatisk baserte målemetoden Useful Daylight Illuminance. Dynamiske simuleringer tar med stedsavhengige, årlige variasjoner i sol og himmelforhold i betraktning. Et alternativt forslag til klasseromsutforming med tilnærmet lik gjennomsnittlig dagslysfaktor er utsatt for de samme simuleringer. Resultatene viser at de innerste deler av et klasserom med tilnærmet 9,3 meter dybde kan oppnå belysningsnivåer innenfor intervallet Useful Daylight Illuminance (100-2000 lux) for så lite som 21 % av de årlige timer undersøkt. Den årlige prosentandelen Useful Daylight Illuminance falt til under 50 % i en omtrentlig dybde av 5,3 – 6,3 meter avhengig av himmelretning. Anslagsvis 32 – 43 % av rommets areal oppnådde Useful Daylight Illuminance for under halvparten av de årlige timene undersøkt avhengig av himmelretning. Alternativt rom med redusert dybde oppnådde bedre resultater for de indre deler av rommet. Oppgavens simuleringer viser hvordan dagslysforholdene i klasserommet varierer med de årlige variasjoner i vær, samt er avhengig av faktorer som himmelretning, eventuell skyggeanordning, og lystransmisjon i vinduer. Romprogram for referanseprosjekt er løst med en alternativ form på klasserommet, samt prioritering av dagslys til grupperom, som styrende faktorer før utformingsprosessen er igangsatt. Endringene i utforming ga konsekvenser for bygningskroppen som en helhet. Klasserom ble tildelt et større antall fasademeter og 14 grupperom ble gitt tilgang til fasadevegg. Endringene medførte en 14,8 % økning i totalt areal for prosjektet. Energibehovet for den alternative utformingen ble simulert med tekniske variabler beholdt tilnærmet likt som for referanseprosjekt. Det samlede forventede energibehov økte med 8,9 %. Deles energibehovet på de respektive totale areal resulterte alternativ løsning i en økning på 6,2 %. Alternativt forslag oppnådde energikarakter A ved energimerking i likhet med referanseprosjekt. IMT report number 46 from 2012 found similarities between several winning projects in architectural competitions for schools around the country. Many projects were characterized by so-called twisted classrooms with windows on one of the short walls of the room. (Houck 2012) This thesis has examined the possible daylight conditions in such a representative deep and twisted classroom. Furthermore it investigated how an alternative building proposal prioritizing daylight may affect the energy consumption. This was done through a case study based on a chosen existing school. The daylight conditions were evaluated with the climate based daylight metric Useful Daylight Illuminance. Dynamic simulations take into account annual variations in sun and sky conditions. An alternative proposal for classroom dimensions with an approximately equal average daylight factor was subjected to the same simulations. The results show that the inner parts of a classroom with an approximate depth of 9,3 meters can achieve lighting levels within the interval Useful Daylight Illuminance (100- 2000 lux) for as little as 21 % of annual hours simulated. The annual percentages Useful Daylight Illuminance fall below 50 % at an approximate depth of 5,3 – 6,3 meters depending on the orientation. An estimated 32 – 43 % of the room achieves Useful Daylight Illuminance for less than half of the annual hours simulated depending on orientation. The alternative classroom with a reduced depth achieves better results for the inner parts of the room. The simulations show how the daylight conditions can vary with the variations in weather and depend on factors such as orientation, shading device, and the light transmittance of windows. The room program for the chosen case school was solved with the alternative classroom, and achieving daylight in group rooms, as a first priority in the design process. The changes in design led to an increase in square meters, shape, and subsequently simulated energy consumption. Changes resulted in an approximate 14,8 % increase in total square meters. Energy simulations with technical factors kept equal to the existing case yielded an approximate 8,9 % increase in total annual energy consumption. When dividing the total consumption by the respective size of the heated areas of the buildings the value increased by approximately 6,2 % for the alternative. In terms of assigning an energy grade the alternative proposal achieved a grade A, which was the same as that achieved by the existing case.M-B