ทฤษฎีเกี่ยวกับแสงธรรมชาติ 1

ทฤษฎีพื้นฐานของแสงธรรมชาติ



แสงธรรมชาติเป็นรูปแบบพลังงานที่เกี่ยวข้องโดยตรงกับทิศทาง และตำแหน่งการโคจรในมุมต่างๆกันของดวงอาทิตย์ โดยปริมาณแสงธรรมชาตินั้นจะเปลี่ยนแปลงไปตามวัน เวลา และฤดูกาล ซึ่งเป็นผลมาจาก การโคจรของโลกรอบดวงอาทิตย์ ในระบบสุริยะ ซึ่งทำให้เกิดรูปแบบที่แน่นอนของทิศทางและปริมาณแสงธรรมชาติที่สม่ำเสมอและคงที่ แต่ก็มีปัจจัยหลายๆอย่างที่ทำให้ปริมาณและรูปแบบของแสงธรรมชาตินั้นแปรเปลี่ยนและไม่สม่ำเสมอ เช่น สภาพแวดล้อม สภาพภูมิอากาศ อุณหภูมิ ภัยธรรมชาติ มลภาวะ เป็นต้น
เมื่อพิจารณาสภาพที่ตั้งของประเทศไทย ตั้งอยู่ในเขตภูมิอากาศแบบร้อนชื้น โดยทั่วไปอุณหภูมิเฉลี่ยทั้งปีมีค่าประมาณ 28 – 29 องศาเซลเซียส เฉพาะเวลากลางวันมีค่าประมาณ 30 -31 องศาเซลเซียส สภาพท้องฟ้ามีเมหมาก มีแดดจัดเกือบตลอดปี ดัชนีเมฆของประเทศไทยนั้นมีค่าตั้งแต่ 5.9 – 9.0 (10 คือค่าสูงสุด) และค่าระดับความสว่างของกรุงเทพฯ มีค่าในระดับ 10,000 ลักซ์ขึ้นไป มีความถี่กว่า 99% ของเวลากลางวัน



แหล่งกำเนิดแสงธรรมชาติ
จากการที่องค์ประกอบของท้องฟ้าและสภาพแวดล้อม มีผลกระทบโดยตรงต่อปริมาณแสงธรรมชาติ ดังนั้น CIE (Commission International de I’Eclarirage) แบ่งลักษณะของแสงธรรมชาติออกเป็นประเภทต่างๆ ตามแหล่งกำเนิดแสงได้ 3 ลักษณะ ดังนี้


1. แสงธรรมชาติจากดวงอาทิตย์
ดวงอาทิตย์เป็นแหล่งกำเนิดแสงที่สำคัญที่สุด ความเข้มของรังสีดวงอาทิตย์ที่กระทำกับพื้นผิวโลก ขึ้นอยู่กับมุมองศาของรังสีที่กระทำกับพื้นผิวโลก ตามแต่ละภูมิภาคต่างๆของโลก เนื่องจากแกนของโลกนั้นทำมุม 23.5 องศา ทำให้ความเข้มของรัวสีที่ตกกระทบพื้นผิวโลก มีค่าเท่ากับความเข้มของรังสีปกติคุณด้วยค่า Cosine ของมุมรังสีที่ตกกระทบตามกฎ Cosine Law



รูปที่ 3.1.1 สูตรคำนวณ และภาพแสดง กฎ Cosine Law



เมื่อทิศทางของรังสีทำมุม 90 องศากับพื้นผิวที่ตกกระทบ จะทำให้ค่าความเข้มของรังสีต่อหน่วยบนพื้นผิวโลกมีความเข้มมากที่สุด และค่าจะลดลงเมื่อมุมตกกระทบเบี่ยงเบนออกจากแนวตั้งฉากกับพื้นผิว ชั้นบรรยากาศที่ปกคลุมโลกก็เป็นสาเหตุที่ทำให้ค่าความเข้มของรัวสีดวงอาทิตย์ลดลงก่อนที่จะเดินทางลงมาถึงผิวโลก โดยรังสีบางส่วนจะถูกดูดกลืนในชั้นโอโซน ฝุ่นละออง และ ไอน้ำ บางส่วนถูกสะท้อนกลับด้วยเมฆ และบางส่วนถูกกระจายออกด้วยโมเลกุลในบรรยากาศ รังสีที่ตกกระทบพื้นผิวโลกก็จะสะท้อนกลับสู่บรรยากาศ และมีส่วนหนึ่งที่ตกลงสู่ผิวโลกแล้วถูกดูดกลืนไว้ รัวสีในส่วนนี้จะเปลี่ยนรูปจากพลังงานแสงเป็นพลังงานความร้อน ทำให้อุณหภูมิของสภาพแวดล้อมบนโลกสูงขึ้น ซึ่งขึ้นอยู่กับสภาพของชั้นบรรยากาศในช่วงเวลาต่างๆ ที่มีปริมาณความแตกต่างของไอน้ำ หมอกควัน และองค์ประกอบอื่นๆ ทำให้ปริมาณความเข้มรังสีดวงอาทิตย์ในแต่ละภูมิภาคของโลกมีความแตกต่างกันออกไปตามวันเวลาและฤดูกาล ดูรูปที่ 1.1.2



รูปที่ 3.1.2 รังสีดวงอาทิตย์ที่เข้าสู่บรรยากาศโลกตามวันเวลาและฤดูกาล






2. แสงธรรมชาติจากท้องฟ้า
การส่องผ่านของแสงอาทิตย์ผ่านชั้นบรรยากาศต่างๆ จะเกิดการกระจายตัวของแสงทั่วท้องฟ้า เมื่อกระทบกับฝุ่น ละอองไอน้ำ สารแขวนลอยต่างๆ ในแต่ละชั้นบรรยากาศ การกระจายตัวของแสงจากท้องฟ้า จะพิจารณาจากปริมาณของเมฆบนท้องฟ้า ทำให้เกิดลักษณะต่างๆของท้องฟ้าดังนี้

• ท้องฟ้าโปร่ง (Clear Sky)
• ท้องฟ้าที่มีเมฆเป็นบางส่วน (Partly Sky or Cloud Sky)
• ท้องฟ้าที่มีเมฆคลุมทึบ (Overcast Sky)








3. แสงธรรมชาติจากพื้นดิน
การสะท้อนของแสงจากพื้นดินมีความสำคัญสำหรับการออกแบบอาคารที่ใช้แสงธรรมชาติ แสงที่เกิดขึ้นจากการสะท้อนจากพื้นดินเข้าสู่ช่องเปิดอาคารนั้น จะมีค่าเฉลี่ยประมาณ 10 – 15% ของปริมาณแสงทั้งหมดที่ผ่านช่องเปิดของอาคาร ซึ่งปริมาณแสงสะท้อนจากพื้นดินนั้นขึ้นอยู่กับลักษณะของพื้นผิวที่สะท้อนแสง



รูปที่ 3.1.6 แสดงแสงที่สะท้อนจากพื้นดินบนวัสดุแบบต่างๆ






3.1.2 การนำแสงธรรมชาติไปใช้งาน
การนำแสงธรรมชาติไปใช้กับอาคาร นอกจากจะต้องคำนึงถึงเรื่องปริมาณความร้อนที่มากับแสงธรรมชาติเป็นสำคัญแล้ว อีกประการที่ต้องคำนึงถึงคือ เรื่องของความแปรปรวนของปริมาณแสงธรรมชาติ เนื่องจากสภาพท้องฟ้ามีการเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา จึงยากต่อการคาดคะเนปริมาณแสงที่จะเกิดขึ้น ทำให้มีการศึกษาทางด้านแสงธรรมชาติ เพื่อคาดคะเนปริมาณแสงธรรมชาติ ณ ตำแหน่งต่างๆของวันเวลา และสภาพท้องฟ้า ข้อมูลที่ได้จากการศึกษาสามารถนำมาใช้ในการพยากรณ์ และสร้างเป็นสมการทางคณิตศาสตร์ต่างๆ เพื่ออธิบายความสว่างจากแสงธรรมชาติได้เป็นอย่างดี



------------------------------------------------------------------------------

Architectural Lighting Second Edition ; M. David Egan , Victor Olgyay : McGraw-Hill Higher Education ,2002

Concept in Architectureal Lighting : M. David Egan ; McGraw-Hill Book Company, 1983

Concept and Practice of Architectural Daylighting ; Fuller Moore : Van Nostrand Reinhold Company, NY , 1985

Daylight Performance of Building ; Edited by Marc Fontoynont : Ecole Nationale des Travaux Publics de I’Etat, Lyons, France, 1999

Daylighting Performance and Design ; Gregg D. Ander, AIA : John Willey & Sons, INC, NY, 1995


รองศาสตราจารย์ สมสิทธิ์ นิตยะ : การออกแบบอาคารสำหรับภูมิอากาศเขตร้อนชื้น : กรุเทพมหานคร : โรงพิมพ์แห่งจุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย, 2541

Create Date : 12 พฤศจิกายน 2553 Last Update : 12 พฤศจิกายน 2553 12:17:11 น. Counter : 7697 Pageviews.		1 comments
Share Tweet