Improving the quality of daylight in classrooms using lightshelf

Document Type : Original Research

Authors
Shadan Masoud 1
Zahra Zamani 2
1 M.Sc. Student, Faculty of Architecture, College of Fine Arts, University of Tehran, Tehran 14174-66191, Iran.
2 Assistant Professor of Architecture, Department of Architectural Technology, College of Fine Art, University of Tehran, Tehran, Iran
10.48311/bsnt.2025.1019
Abstract
Aims: In many classrooms, due to the lack of daylight uniformity and preventing glare, curtains are drawn and artificial light is used, which increases energy consumption and reduces students' learning. One of the effective solutions is using a lightshelf. Many studies have been conducted, but they often ignored the effect of work surface height on the optimal height of the lightshelf and did not make a difference between education levels. In this research, in addition to investigating the effect of the lightshelf on daylight quality, the proper height of the light shelf in educational levels and in 4 latitudes in Iran (40, 35, 30 and 25 ̊ N) has been investigated.



Methods: The simulations were done in a classroom using Rhino and Honeybee, Ladybug plugins. In order to evaluate the accuracy of the simulations, a scale model was made and the measurement were compared to the simulation results.



Findings: By combining the light shelf and horizontal louvres, an optimal system was achieved in order to increase the daylight quality. The effect of different latitudes as well as different heights of desks were investigated.



Conclusion: The results showed that the use of lightshelves in all cities of Iran has increased the daylight quality, while with the increase in latitude and the work surface height, the optimal height of the lightshelf should be increased.

Keywords

Subjects

Wohlfarth H, Gates KS. The effects of color-psychodynamic environmental color and lighting modification of elementary schools on blood pressure and mood: A controlled study. International Journal of Biosocial Research. 1985;7:9-16. Available at: https://archive.org/details/colorlighteffect00wohl/page/n1/mode/2up [Article]
انصاری منش مریم، نصرالهی نازنین. تعیین محدوده آسایش حرارتی ساکنان به منظور بهینه‌سازی کیفیت محیط داخل در ساختمان‌های اداری کرمانشاه. نقش جهان - مطالعات نظری و فناوری های نوین معماری و شهرسازی. ۱۳۹۳؛۴(۲):۲۱-۱۱. [Article]
Alilou M, Mahdavinejad M. The Effect of CCT on Vitality and Population Absorption in Urban Area: Case Study of the Safavi Bridge Urban Area in Karaj, Iran. Light & Engineering (Svetotekhnika), Moscow. 2022 Sep 1;30(5): 81-91. Available at: https://l-e-journal.com/en/journals/light-engineering-30-5/light-engineering-30-5-2022-paper-version/ [Article]
باقری سمیه، دستاور علیرضا، قلع جهی مریم. ارزیابی شدت روشنایی و ارتباط آن با میزان خستگی بینایی دانشجویان، در سالن های مطالعه دانشگاه علوم پزشکی زابل در سال ۱۳۹۶. بهداشت کار و ارتقاء سلامت. ۱۳۹۶; ۱ (۲) :۱۵۴-۱۶۳. [Article]
Masoud S, Zamani Z, Hosseini SM, Attia S. A Review of Factors Affecting the Lighting Performance of Light Shelves and Controlling Solar Heat Gain. Buildings. 2024 Jun 16;14(6):1832. Available at: https://doi.org/10.3390/buildings14061832 [Article] [DOI]
پورمحمد سها، مختاباد امرئی سید مصطفی، حبیب فرح. تجلی تعادل در صورت متکثر نور واحد در پنجره های ارسی شبستان مسجد نصیرالملک. نقش جهان - مطالعات نظری و فناوری های نوین معماری و شهرسازی. ۱۴۰۱؛ ۱۲(۲):۴۵-۲۱. [Article]
Lee H, Park S, Seo J. Development and Performance Evaluation of Light Shelves Using Width‐Adjustable Reflectors. Advances in Civil Engineering. 2018;2018(1):2028065. Available at: https://doi.org/10.1155/2018/2028065 [Article] [DOI]
جوانی زهرا، مدنی رامین، حجت عیسی. نور روز؛ محرک شادمانی و سلامت روان ساکنین مجتمع‌های مسکونی؛ مورد مطالعاتی: مجتمع‌های مسکونی مناطق 7، 8، 12 و 14 شهر اصفهان. معماری و شهرسازی آرمان شهر، 1398؛ 12(27): 55-65. [Article] [DOI]
Lee H, Seo J, Choi CH. Preliminary study on the performance evaluation of a light shelf based on reflector curvature. Energies. 2019 Nov 11;12(22):4295.. Available at: https://doi.org/10.3390/en12224295 [Article] [DOI]
جوکار رضا، ملکی مرتضی. بررسی تاثیر طراحی پارامتریک پوسته ورونئی در بهبود بهره وری نور روز در ساختمان اداری در شهر شیراز. نقش جهان - مطالعات نظری و فناوری های نوین معماری و شهرسازی. ۱۴۰۱؛۱۲(۴):۱۴۱-۱۱۶. [Article]
Masoud S, Zamani Z, Hosseini SM, Attia S. A Review of Factors Affecting the Lighting Performance of Light Shelves and Controlling Solar Heat Gain. Buildings. 2024 Jun 16;14(6):1832. https://www.semanticscholar.org/paper/A-preliminary-study-on-the-performance-of-an-awning-Lee-Jang/aba27859396de33b08ffcf27c861030db08344af [Article]
خانمحمدی محمدعلی, پوراحمدی محبوبه, مظفر فرهنگ. بهینه سازی بازشوهای ساختمانی بر اساس عملکرد خیرگی در ساختمان های آموزشی اقلیم گرم و خشک ایران. معماری و شهرسازی پایدار1398، 7(1): 113-128. [Article] [DOI]
Lee H, Baek S, Lee H. A study on the application of solar modules to light shelves to improve generation and daylighting efficiency. Energy and Buildings. 2022 Apr 15;261:111976. Available at: https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2022.111976 [Article] [DOI]
خیری ‌نرمین, خلیلی احمدرضا. ارزیابی کیفیت نور روز ساختمان آتلیه معماری پردیس هنرهای زیبای تهران. فضای زیست. 2022. 2(1): 41-58. [Article]
Meresi A. Evaluating daylight performance of light shelves combined with external blinds in south-facing classrooms in Athens, Greece. Energy and Buildings. 2016 Mar 15;116:190-205. Available at: https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2016.01.009 [Article] [DOI]
دانشمندی محسن، تیزقلم زنوزی سعید، میرشاهزاده شروین. بررسی و تحلیل وضعیت معاصرسازی بناهای معاصر (۱۳۲۰ الی ۱۳۴۵) در کلانشهر تهران. نقش جهان - مطالعات نظری و فناوری های نوین معماری و شهرسازی. ۱۴۰۳؛۱۴(۱):۹۰-۱۰۸. [Article]
Bakmohammadi P, Noorzai E. Investigating the optimization potential of daylight, energy and occupant satisfaction performance in classrooms using innovative photovoltaic integrated light shelf systems. Science and Technology for the Built Environment. 2022 May 3;28(4):467-82. Available at: https://doi.org/10.1080/23744731.2021.2014247 [Article] [DOI]
رستم زاد سحر، فیضی محسن، صنایعیان هانیه، خاکزند مهدی. طراحی پارامتریک نمای متحرک با هدف ارتقاء بهره‌وری روشنایی و آسایش بصری، بررسی موردی: ساختمان‌های اداری تهران. نشریه نامه معماری و شهرسازی،1400 (31)13، 100-85. [Article]
Nassiri B, Mahmodi ZM. Achieving the Principles of High Performance of Light Shelves Design in Educational Buildings. J. Environ. Sci. Technol. 2020 Jan 1;22:359-69. Available at: https://www.magiran.com/p2182578 [Article]
روشن محسن، سعادت فرزین. بررسی تجربی عملکرد سیستم طاقچه نوری برای بهبود کیفیت نور طبیعی در فضای داخلی ساختمان در گیلان. انرژی های تجدید پذیر و نو،1399؛7(2 ):46-57. [Article]
Heidari F, Mahdavinejad M, Zolotovsky K, Bemanian M. Data-driven bio-integrated design method encoded by biocomputational real-time feedback loop and deep semi-supervised learning (DSSL). Journal of Building Engineering. 2024 Dec 1;98:110923. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2024.110923 [Article] [DOI]
زمردیان زهراسادات, پوردیهیمی شهرام. ارزیابی عملکرد حرارتی و بصری پنجره در کلاسهای درس در اقلیم شهر تهران. صفه, 1396; 27(3): 5-24. [Article]
Moazzeni Mh, Ghiabaklou Z. Investigating the Influence of Light Shelf Geometry Parameters on Daylight Performance and Visual Comfort, a Case Study of Educational Space in Tehran, Iran. Buildings. 2016;2075-5309, 6(3). Available at: https://doi.org/10.3390/buildings6030026 [Article] [DOI]
سعادت جو پریا، سلیقه الهام. نقش الگوی چیدمان بلوک های مجتمع مسکونی بر جریان باد فضای باز و نور روز دریافتی ساختمان ها؛ نمونه موردی: مجتمع های مسکونی شهر تهران. نقش جهان - مطالعات نظری و فناوری های نوین معماری و شهرسازی. ۱۴۰۰؛۱۱(۳):۹۲-۶۷. [Article]
Ziaee N, Vakilinezhad R. Multi-objective optimization of daylight performance and thermal comfort in classrooms with light-shelves: Case studies in Tehran and Sari, Iran. Energy and Buildings, 2022; 254, 111590. Available at: https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2021.111590 [Article] [DOI]
شفوی مقدم نسترن, تحصیلدوست محمد, زمردیان زهرا. بررسی کارایی شاخص‌های نور روز در ارزیابی کیفیت آسایش بصری کاربران (مطالعۀ موردی: فضاهای آموزشی دانشکده‌های معماری شهر تهران) (علمی پژوهشی) مطالعات معماری ایران. 1400؛8 (16) [Article] [DOI]
Öner M, Kazanasmaz ZT. Illuminance and luminance based ratios in the scope of performance testing of a light shelf-reflective louver system in a library reading room. Light Eng. 2019, 27, 39–46. Available at: http://dx.doi.org/10.33383/2018-067 [Article] [DOI]
شفوی مقدم نسترن, زمردیان زهرا سادات, تحصیلدوست محمد. کارآیی شاخص‌های نور روز در تخمین روشنایی کافی در فضا بر اساس ارزیابی کاربران نمونه موردی: فضاهای آموزشی دانشکده‌های معماری شهر تهران.. صفه, 1398; 29(3): 37-56. [Article] [DOI]
Ruggiero S, Assimakopoulos MN, De Masi RF, de Rossi F, Fotopoulou A, Papadaki D, Ferrante A. Multi-disciplinaryanalysis of light shelves application within a student dormitory refurbishment. Sustainability 2021, 13, 8251. Available at: https://doi.org/10.3390/su13158251 [Article] [DOI]
شیرزادنیا زهرا، زرکش افسانه. بازطراحی میراث صنعتی با رویکرد بهینه سازی بهره وری نور روز و آسایش بصری. نقش جهان - مطالعات نظری و فناوری های نوین معماری و شهرسازی. ۱۴۰۲؛۱۳(۲):۱۰۴-۱۲۵. [Article]
Organization INS. Guidance School Classroom, Specifications (2002): Institute of Standards & Industrial Research of Iran: Tehran, Iran. Available at: https://standard.roshd.ir/ [Article]
فدایی اردستانی محمدعلی, ناصری مبارکی حیدر, آیت‌اللهی محمدرضا, زمردیان زهراسادات. ارزیابی نور روز و خیرگی در کلاس‌های درس با استفاده از شاخص‌های پویا مطالعه موردی: دانشکده معماری و شهرسازی دانشگاه شهید بهشتی. صفه, 1397; 28(4): 25-40. [Article] [DOI]
Bellia, Laura, Concetta Marino, Francesco Minichiello, and Alessia Pedace. “The Benefits of lightshelves over the daylight illuminance in office buildings in Toronto.” Indoor and Built Environment, Vol. 27(2) 244–262, 2018. Available at: http://dx.doi.org/10.1177/1420326X16673413 [Article] [DOI]
فروزنده شهرکی نیما, احمدی جوشقانی هانیه, نورکجوری هانیه, زمردیان زهراسادات. ارزیابی کمیت و کیفیت نور در سالن‌های مطالعه و عرضۀ راهکارهای اصلاحی نمونۀ موردی: کتابخانه‌های دانشگاه شهید بهشتی. صفه, 1400; 31(4): 31-48. [Article]
CIBSE. CIBSE Lighting Guide, 10, LG, Daylighting and window design, Chartered Institution of Building Services, Engineers, 1999; London. Available at: https://www.cibse.org/knowledge-research/knowledge-portal/lighting-guide-10-lg10-daylighting-a-guide-for-designers-2014 [Article]
کارگر ساراسادات، محمودی زرندی مهناز، خاک زند مهدی. بررسی تأثیر مؤلفه های کاربردی مؤثر در طراحی پنجره کلاس های دروس عملی با تاکید بر استفاده بهینه از بازتابش نور روز در تهران. هویت شهر1400.؛15(47 ):73-88. [Article] [DOI]
Yazhari Kermani A, Nasrollahi F, Mahdavinejad M. Investigation of the relationship between depth of overhang and amount of daylight indicators in office buildings of Kerman city. Environmental Health Engineering and Management Journal, 2018; 5(3): 129-36. https://doi.org/10.15171/EHEM.2018.18 [Article] [DOI]
محمدی فیروزه, مفیدی شمیرانی سیدمجید, طاهباز منصوره. بررسی و تحلیل کارایی شاخص‌های پویای ارزیابی عملکرد نور روز (کفایت نور روز و روشنایی مفید نور روز) از طریق تحلیل حساسیت، مورد مطالعاتی: کلاس درس ابتدایی در تهران. معماری و شهرسازی آرمان شهر, 1399; 13(31): 145-156. [Article] [DOI]
Ruggiero S, Assimakopoulos MN, De Masi RF, de Rossi F, Fotopoulou A, Papadaki D, Vanoli GP, Ferrante A. Multi-disciplinary analysis of light shelves application within a student dormitory refurbishment. Sustainability. 2021 Jul 23;13(15):8251. Available at: https://doi.org/10.3390/su13158251 [Article] [DOI]
معتضدیان فهیمه، مهدوی نژاد محمدجواد. گونه شناسی انواع و مشخصات فنی رف های نوری. معماری و شهرسازی آرمان شهر1394، 8 (دومین ویژه نامه نورپردازی): 91-103. [Article]
Lee H, Jeon G, Seo J, Kim Y. Daylighting performance improvement of a light-shelf using diffused reflection. Indoor and built environment. 2017 Jun;26(5):717-26. Available at: https://doi.org/10.1177/1420326X16631144 [Article] [DOI]
مفیدی شمیرانی, سید مجید, پورناصری, شهناز. مدل‌یابی میزان و نحوه‌ تأثیر متغیرهای کالبدی پنجره بر بهره‌گیری مناسب از نورِ روز در کلاس‌های مدارس راهنمایی تهران. فناوری آموزش, 1390; 5(4): 241-256. [Article] [DOI]
Mesloub A, Ghosh A. Daylighting performance of light shelf photovoltaics (LSPV) for office buildings in hot desert-like regions. Applied sciences. 2020 Nov 10;10(22):7959. [Article] [DOI]
ملک آرزو، طلایی آویده، مطالعه تطبیقی نماهای متحرک ساختمان های اداری تهران بر اساس آسایش بصری ساکنین با شاخص (sDG)، (DGP) ، پژوهش های معماری نوین, 2023;3(2):85-101. [Article]
Fakhr BV, Mahdavinejad M, Rahbar M, Dabaj B. Design Optimization of the Skylight for Daylighting and Energy Performance Using NSGA-II. Journal of Daylighting. 2023 May 23;10(1):72-86. https://doi.org/10.15627/jd.2023.6 [Article] [DOI]
مولایی محمدمهدی، پیله‌چی‌ها پیمان، شادانفر عطیه. بهینه سازی تناسبات بازشو و جبهه نورگیری با رویکرد کاهش مصرف انرژی در ساختمان های اداری. نقش جهان - مطالعات نظری و فناوری های نوین معماری و شهرسازی. ۱۳۹۸؛۹(۲):۱۲۳-۱۱۷. [Article]
Goharian A, Daneshjoo K, Shaeri J, Mahdavinejad M, Yeganeh M. A designerly approach to daylight efficiency of central light-well; combining manual with NSGA-II algorithm optimization. Energy. 2023 Apr 17:127402. https://doi.org/10.1016/j.energy.2023.127402 [Article] [DOI]
مهدوی نژاد محمدجواد، بمانیان محمدرضا. تخمین کارایی کانال های انتقال نور افقی در ساختمان های عمیق؛ نمونه: بناهای اداری تهران. نشریه هنرهای زیبا- معماری و شهرسازی. 1391؛17(4):1-15. [Article] [DOI]
Goharian A, Mahdavinejad M, Bemanian M, Daneshjoo K. Designerly optimization of devices (as reflectors) to improve daylight and scrutiny of the light-well’s configuration. Building Simulation. 2021 Oct 9 (pp. 1-24). Tsinghua University Press. https://doi.org/10.1007/s12273-021-0839-y [Article] [DOI]
مهدوی نژاد محمدجواد، مطور سها. کیفیت نورگیرها درگنبـدهای ایـرانی (با رویکرد به مسائل سازه‎ای گنبد). نقش جهان - مطالعات نظری و فناوری های نوین معماری و شهرسازی. ۱۳۹۱؛۲(۲):۴۲-۳۱. [Article]
Goharian A, Mahdavinejad M. A novel approach to multi-apertures and multi-aspects ratio light pipe. Journal of Daylighting. 2020 Sep 16;7(2):186-200. https://doi.org/10.15627/jd.2020.17 [Article] [DOI]
مهدوی نژاد، محمدجواد، ارباب، مژگان، ارباب، مریم. استفاده از الگوریتم ژنتیک در بهینه سازی چندهدفه لوورهای خارجی در ساختمان‌های اداری. نشریه علمی اندیشه معماری، 1398؛ 3(5): 214-235. [Article] [DOI]
Arbab M, Mahdavinejad M, Bemanian M. Comparative Study on New lighting Technologies and Buildings Plans for High-performance Architecture. Journal of Solar Energy Research. 2020 Oct 1;5(4):580-93. https://doi.org/10.22059/jser.2020.304087.1157 [Article] [DOI]
مهدوی‌نژاد محمد‌جواد, طاهباز منصوره, دولت‌آبادی مهناز. بهینه‌سازی تناسبات و نحوه استفاده از رف نور در معماری کلاس‌های آموزشی. نشریه هنرهای زیبا: معماری و شهرسازی, 1395; 21(2): 81-92. [Article] [DOI]
Mahdavinejad M, Bemanian M, Matoor S. Estimation Performance of Horizontal Light Pipes in Deep-Plan Buildings' Case. Honar-Ha-Ye-Ziba: Memary Va Shahrsazi. 2012 Dec 21;17(4):1-15. https://doi.org/10.22059/jfaup.2012.36364. Available at: https://jfaup.ut.ac.ir/article_36364.html?lang=en [Article]
نیکزاد امیرمحسن، ملک نیلوفر، غفاری عباس. ارزیابی شرایط متغیرهای موثر بر آسایش بصری نوری در فضاهای آموزشی دانشگاه صنعتی شاهرود. نقش جهان - مطالعات نظری و فناوری های نوین معماری و شهرسازی. ۱۳۹۹؛ ۱۰(۳):۱۷۳-۱۸۲. [Article]
Mahdavinejad M, Matoor S, Fayaz R, Bemanian M. Estimation of daylight availability and illuminance on vertical south facing surfaces in Tehran. InAdvanced Materials Research 2012 (Vol. 518, pp. 1525-1529). Trans Tech Publications Ltd. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.518-523.1525 [Article] [DOI]
یارمحمودی زهرا، نصر طاهره، مضطرزاده حامد. طراحی الگوریتمیک نمای هوشمند ساختمان در جهت کنترل نور روز با الهام از الگوی حرکتی گل زنبق. نقش جهان - مطالعات نظری و فناوری های نوین معماری و شهرسازی. ۱۴۰۲؛ ۱۳(۲) :۱-۲۴. [Article]
Maroofi N, Mahdavinejad M, Moradi Nasab H. Daylightophil educational buildings; Case Study: Optimizing of the southern walls' openings of the classrooms in Semnan. Journal of Architecture in Hot and Dry Climate. 2023 Mar 24; 10(16): 164-181. doi: 10.22034/ahdc.2023.18776.1668 [Article]
Mehrvarz F, Bemanian M, Nasr T, Mansoori R, AL-Kazee MF, Khudhayer WA, Mahdavinejad M. Designerly Approach to Design Responsive Façade for Occupant Visual Comfort in Different Latitudes. Journal of Daylighting. 2024 Jun 29;11(1):149-64. https://doi.org/10.15627/jd.2024.9 [Article] [DOI]
Shirzadnia Z, Goharian A, Mahdavinejad M. Designerly approach to skylight configuration based on daylight performance; Toward a novel optimization process. Energy and Buildings. 2023 Mar 11:112970. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2023.112970 [Article] [DOI]
Mahdavinejad M, Tahbaz M, Dolatabadi M. Optimization of Properties and Light Shelf System in Architecture of Learning Building. Journal of Fine Arts: Architecture & Urban Planning. 2016 Aug 22;21(2):81-92. Available at: https://jfaup.ut.ac.ir/article_60164_en.html [Article]