Mechanische zon 2005/04.03

De studie van daglicht in gebouwen vormt een belangrijk aandachtspunt van het WTCB-laboratorium 'Licht en Gebouw'. In het kader van de ontwikkeling van zijn activiteiten, schafte het zich een nieuwe installatie aan voor het nabootsen van de rechtstreekse bezonning op een schaalmodel : de 'mechanische zon'.
Deze
Nuttige informatie
Nuttige link
Website gewijd aan daglicht en het WTCB-onderzoek op dit gebied : www.wtcb-licht.be
Het volledige artikel, gaat dieper in op de relatieve beweging van de aarde en de zon, evenals op de onderdelen van de mechanische zon.
nieuwe installatie vormt een aanvulling op twee reeds aanwezige simulatoren voor de studie van de diffuse verlichtingssterkte bij overtrokken hemel en voor het nabootsen van de diffuse (hemel) en rechtstreekse (zon) verlichtingssterkte voor elk hemeltype.

Dankzij zijn ontwerp is deze nieuwe simulator eenvoudig en didactisch. Hij weerspiegelt getrouw onze waarneming van de beweging van de zon, die resulteert uit de combinatie van relatieve bewegingen : de omwenteling van de aarde rond de zon en van de aarde om haar as.

1. Karakterisering van de beweging van de zon

Hoewel wij dankzij de studie van het zonnestelsel weten dat de opeenvolging van dag en nacht het gevolg is van de omwenteling van de aarde om haar as (een omwenteling duurt om en bij de 24 uur), nemen wij deze beweging niet waar. Wat wij ervaren, is de relatieve beweging van een punt aan het aardoppervlak ten opzichte van de zon. Voor de mens op aarde lijkt het alsof de zon opkomt in het oosten, zijn hoogste punt bereikt in het zuiden (voor plaatsen ten noorden van de kreeftskeerkring) en ondergaat in het westen.

Wij weten ook dat de baan van de zon seizoensafhankelijk is : in de zomer staat de zon 's middags hoger dan in de winter. Deze seizoensgebonden variatie van de zonnebaan in de hemel is te wijten aan de helling van de omwentelingsas van de aarde ten opzichte van het ecliptische vlak (vlak van de aardbaan rond de zon). Deze helling is niet rechtstreeks waarneembaar, maar kan onrechtstreeks aangetoond worden aan de hand van de veranderlijke duur van de dag en de verandering van de hoogte van de zon aan de hemel.

Voor een waarnemer op het aardoppervlak is de baan van de zon afhankelijk van :
  • de breedtegraad van het beschouwde punt (de baan van de zon is in Brussel of in Madrid verschillend)
  • de periode van het jaar (de baan van de zon in januari is niet dezelfde als in juni).
Aan de hand van deze twee parameters kan men de beweging van de zon rondom een gebouw karakteriseren en aldus ook de beweging van de kunstlichtbron (die de zon voorstelt) rondom het schaalmodel.

2. Onderdelen en werkingsprincipe

Zicht op de proefpost.

Zoals zijn naam aangeeft, bestaat de mechanische zon uit al dan niet beweegbare mechanische onderdelen, die rondom een vast punt geplaatst zijn, aangeduid als het geometrische centrum van het geheel. De beweegbare onderdelen zorgen voor de verplaatsing van de lichtbron die de zon voorstelt.

De drie belangrijkste onderdelen van de mechanische zon (zie afbeelding hiernaast) zijn :
  • een eerste, vaste, boog (1), waarop een eerste rolwagentje schuift dat kan vastgezet worden met een blokkeringssysteem. Op deze wijze kan men de voor de simulatie beschouwde breedtegraad vastleggen
  • een tweede, beweegbare, boog (2), waarop een tweede rolwagentje schuift dat voorzien is van een lichtbron die de zon voorstelt
  • een kabel (3), die het eerste wagentje met het tweede verbindt en waarvan men de lengte kan aanpassen, ter bepaling van de datum (seizoen) waarop de simulatie plaatsvindt.
Zodra men de beweegbare boog laat draaien, wordt de kabel die de twee wagentjes verbindt, opgespannen. Aangezien het eerste wagentje vastligt en het tweede (uitgerust met de lichtbron) vrij kan bewegen, veroorzaakt de spanning in de kabel als gevolg van de omwenteling van de arm, de op- en neergaande bewegingen van de lichtbron (opkomen en ondergaan van de zon).

De mechanische zon kan dus, louter door de omwenteling van zijn beweegbare boog, uiterst precies de baan van de zon voor een bepaalde dag en een gegeven punt op aarde nabootsen. Zoals hiervoor aangegeven, kan deze simulatie eenvoudig uitgevoerd worden voor elke mogelijke datum en breedtegraad, door de mechanische onderdelen te verplaatsen.

3. Toepassingen

Deze simulator laat een rechtstreekse visualisatie van de verlichtingssterkte en de schaduwen op een massamodel (1/200) of een gedetailleerd model (1/20) toe. De proefpost kan de verplaatsing van de zon op elk moment van een gegeven dag en op korte tijd (de simulatie van een volledige zonnebaan duurt minder dan 40 seconden) nabootsen, waardoor de waarnemingen een dynamisch karakter krijgen.

Behalve de daglichttoetreding in gebouwen is het met een aangepaste werkingsschaal (massamodel van 1/200) eveneens mogelijk de invloed van de beschaduwing van externe elementen na te gaan. Op deze wijze kan men naast de rechtstreekse lichtinval in de ruimten ook de invloed van de rechtstreekse zonnestraling op de gebouwschil visualiseren, om aldus de eventuele aanwezigheid van schaduwen op de gevel aan te tonen.

Deze nieuwe proefpost staat ter beschikking van ontwerpers en aannemers en laat een diepgaande studie van de daglichttoetreding in gebouwen met een atrium, een lichtschacht, een bijzonder lichtweerkaatsingssysteem (metalen lamellen, nabijheid van water, ...) of zonneweringen (doorschijnende materialen, ...) toe.




A. Deneyer, ir., projectleider, afdeling 'Bouwfysica en Binnenklimaat', WTCB