Транспортування світла: сучасні системи природного освітлення

Природний світло необхідне для людей, він збільшує комфортність місця існування, самопочуття, працездатність і продуктивність праці кожної людини. Саме тому СНіП 23-05-95 * «Природне і штучне освітлення» вимагає нормативної кількості природного світла в приміщеннях з постійним перебуванням людей. У виняткових випадках допускається нестача або відсутність природного світла за умови компенсації цього дефіциту значним збільшенням нормованих значень освітленості від штучних джерел світла, що призводить до різкого підвищення витрати електроенергії.

При бічному висвітленні через стандартні светопроеми використовується тільки розсіяна складова світла неба (пряме сонячне випромінювання поряд з високим позитивним впливом призводить до сліпучої дії й нерівномірності освітлення, підвищеного нагрівання приміщень). При цьому спостерігається експонентний спад освітленості при видаленні від бічних светопроемов, що в широких будинках (будівлях «глибокого закладення») вимагає наявності постійно включеного штучного освітлення у віддалених від вікон зонах (так, наприклад, в типових промислових будівлях шириною 60 м і більше навіть при склінні по периметру центральна зона шириною більше 40 м не отримує достатнього природного освітлення).

Ситуація різко ускладнюється у бесфонарних будівлях, де технологічні умови вимагають підтримки постійної температури або повної відсутності пилу і вологи. Для бічного освітлення в умовах міста велику негативну роль відіграє екранування светопроемов існуючими будівлями та спорудами.

Застосування систем верхнього освітлення (зенітні ліхтарі, шедові покриття) може бути ефективним лише в одноповерхових будинках, проте і в цих випадках пряме сонячне випромінювання використовується нераціонально, а теплопередача через светопроеми занадто велика і вимагає, як і в попередніх випадках, високих витрат на обігрів освітлюваних приміщень взимку та охолодження влітку.

Стандартні тепловтрати при одинарному склінні складають 5,6 Вт / кв. м * К. При використанні найбільш сучасних двокамерних склопакетів з аргоновим заповненням (потрійне засклення) з простором між стеклами 16 мм вони становлять 1,9 Вт / кв. м * К, тобто через светопроем площею 1 кв. м втрачається 1,9 Вт теплової енергії на кожен градус різниці температур зовні і всередині приміщень. А адже светопроеми мають площі в 2-3 рази більше. Коефіцієнт сонячних теплопоступленій при одинарному склінні становить 5,6 Вт / кв. м * К, а при подвійному склінні із заповненням аргоном - 0,3 Вт / кв. м * К.

У багатьох громадських і промислових будівлях 60-70% тепла, на видалення якого працюють системи кондиціонування повітря, що споживають значну кількість електроенергії, вноситься до приміщення саме штучним освітленням.

Облік всіх цих обставин вимагає комплексного вирішення інженерних систем освітлення, кондиціонування повітря та обігріву приміщень для зниження витрат на спорудження й експлуатацію будинків. Як же доставити природний світло, у тому числі пряме сонячне випромінювання, в центральні частини будинків, в зони, віддалені від бічних светопроемов, в заглиблені приміщення, в термоконстантние цеху без порушення теплового режиму? Необхідно використовувати нову технологію природного освітлення за допомогою порожнистих світловодів (рис. 1 і 2).

Освітлювальні системи з порожніми трубчастими світловодами вперше були застосовані на початку 90-х рр.. ХХ ст. в Австралії, а потім - у США і Канаді. Найбільш широко нова технологія використовується в останні роки - після організації серійного виробництва світловодів в Італії та Великобританії. В даний час Технічний комітет ТС3.38 Міжнародної комісії з висвітлення готує офіційний звіт із цих систем.

Системи з порожніми трубчастими світловодами складаються з трьох основних вузлів: светопрінімающего, що транспортує світло і светоперераспределяющего (світлорозсіювального). Світлоприйомним пристрій у вигляді прозорого купола розташовується поза будівлею, на даху або фасаді (рис. 3), і може містити спеціальний оптичний елемент, який приймає прямий потік від сонця і дифузний світло неба від усієї півсфери (при установці на даху), працюючи одночасно рефрактором для північного бічного світла і рефлектором для південного прямого світла. Цей елемент є «оптичної лійкою», що заповнює світловод природним світлом. Купол встановлюється на даху за допомогою спеціального пристрою у вигляді «стакана», інтегруючого купол у компоненти покрівлі та запобігає попаданню вологи.

Транспортує світло вузол - набір стикуються алюмінієвих труб прямолінійною або колінчатою форми (рис. 4), що мають зсередини полімерне багатошарове покриття з коефіцієнтом відображення більше 0,99. Світло від світлоприйомним пристрої поширюється вздовж світловода на основі багаторазових відбиттів і виходить у освітлюване приміщення через светорассеивающих вузол або дифузор. Діаметри труб світловодів 250-375-530-650-900 мм. Коліна забезпечують поворот від 0 до 30 °, від 0 до 60 ° і від 0 до 90 °.

Дифузор може бути різного розміру, форми (круглий і квадратний) і виконуватися з різного матеріалу, але, як правило, має светорассеивающих поверхню і неслепящую яскравість. Світловоди можуть бути укомплектовані додатковими пристроями:
• лампою вечірнього / нічного освітлення, витяжним вентилятором • пристроєм плавного обмеження світлового потоку з дистанційним управлінням.

Переважна частина території Центральної Росії протягом всього року має великий рівень зовнішньої природної освітленості. Влітку, при сонці, він досягає 100 клк. На широті Москви освітленість більше 500 лк на поверхні землі становить понад 4500 год / рік, причому 60% цього часу - більше 12,5 клк, а 40% часу - понад 24,5 клк. У таких умовах порожнисті трубчасті світловоди можуть забезпечувати достатню природну освітленість на потрібні площах приміщень.

Природна освітленість приміщень, що забезпечується порожнистими світловодами

Результати дослідження показали, що навіть одного світловода цілком достатньо для багатьох допоміжних приміщень та приміщень з тимчасовим перебуванням людей. При використанні системи освітлення багатьма світловодами великого діаметра (600 мм) можна отримати досить високі рівні загального природного освітлення. При цьому необхідно відзначити, що завдяки герметичності внутрішньої порожнини світловодів і незначному конвекційному теплообміну в цій порожнині коефіцієнт теплопередачі світловодів досить невеликий (для світловода діаметром 250 мм - 0,2 Вт / К).

Для умов ясного небозводу (100 клк) через світловод втрачається приблизно в 3 рази менше тепла, ніж через светопроем (при тому ж рівні світлового потоку). Навіть в умовах хмарності (25 клк) через світловод втрачається в 1,5 рази менше тепла, ніж через светопроем.

Причина відмінностей в ефективності роботи светопроемов і світловода криється в тому, що світловод може зібрати як пряме світло сонця, так і розсіяне світло неба. Светопроем, як правило, пропускає тільки останню складову, якщо він спеціально не орієнтований на південь. У цьому випадку виникають проблеми сліпучої дії і надмірної інсоляції, вікна тонують або встановлюють жалюзі, знижуючи тим самим світлопропускні можливості. Нарешті, як вже зазначалося, на вертикальний светопроем падає світло з меншою області небосхилу, ніж на ввідний пристрій світловода (якщо немає додаткових перешкод).

У залежності від параметрів світловодів (довжини, діаметру, числа колін), пори року і стану неба коефіцієнт природного освітлення при роботі світловодів може скласти від 0,7 до 2,5.

Поліпшення умов природного освітлення і самопочуття людей за допомогою систем порожнистих трубчастих світловодів не вимагає великих інвестицій (істотно менше 1% від вартості будівництва) і повністю окупає себе за рахунок економії електроенергії за один-два роки.

Представляється вкрай важливим широке використання систем з порожніми світловодами як у нових, так і реконструйованих будинках для поліпшень умов життєдіяльності людей і економії витрати електроенергії.

Джерело: Юліан Айзенберг, доктор технічних наук, професор, академік АЕН РФ, директор Московського будинку світла, головний редактор журналу «Світлотехніка», Олена Оселедець, генеральний директор Центру екологічних ініціатив