Естественный свет необходим для людей, он увеличивает комфортность среды обитания, самочувствие, работоспособность и производительность труда каждого человека. Именно поэтому СНиП 23-05-95* «Естественное и искусственное освещение» требует нормативного количества естественного света в помещениях с постоянным пребыванием людей. В исключительных случаях допускается недостаток или отсутствие естественного света при условии компенсации этого дефицита значительным увеличением нормируемых значений освещенности от искусственных источников света, что приводит к резкому повышению расхода электроэнергии.
Рис. 1. Принципиальная схема ввода естественного света в здание с помощью полых световодов
Рис. 2. Схема жилого коттеджа, в котором для освещения помещений естественным светом используются полые световоды
При боковом освещении через стандартные светопроемы используется только рассеянная составляющая света неба (прямое солнечное излучение наряду с высоким благотворным влиянием приводит к слепящему действию и неравномерности освещения, повышенному нагреву помещений). При этом наблюдается экспоненциальный спад освещенности при удалении от боковых светопроемов, что в широких зданиях (зданиях «глубокого заложения») требует наличия постоянно включенного искусственного освещения в отдаленных от окон зонах (так, например, в типовых промышленных зданиях шириной 60 м и более даже при остеклении по периметру центральная зона шириной более 40 м не получает достаточного естественного освещения).
Ситуация резко усложняется в бесфонарных зданиях, где технологические условия требуют поддержания постоянной температуры или полного отсутствия пыли и влаги.
Для бокового освещения в условиях города большую отрицательную роль играет экранирование светопроемов окружающими зданиями и сооружениями.
Применение систем верхнего освещения (зенитные фонари, шедовые покрытия) может быть эффективным лишь в одноэтажных зданиях, однако и в этих случаях прямое солнечное излучение используется нерационально, а теплопередача через светопроемы слишком велика и требует, как и в предыдущих случаях, высоких затрат на обогрев освещаемых помещений зимой и охлаждение летом.
Стандартные теплопотери при одинарном остеклении составляют 5,6 Вт/кв. м*К. При использовании наиболее современных двухкамерных стеклопакетов с аргоновым заполнением (тройное остекление) с пространством между стеклами 16 мм они составляют 1,9 Вт/кв. м*К, т.е. через светопроем площадью 1 кв. м теряется 1,9 Вт тепловой энергии на каждый градус разницы температур вне и внутри помещений. А ведь светопроемы имеют площади в 2–3 раза больше. Коэффициент солнечных теплопоступлений при одинарном остеклении составляет 5,6 Вт/кв. м*К, а при двойном остеклении с заполнением аргоном – 0,3 Вт/кв. м*К.
Во многих общественных и промышленных зданиях 60–70 % тепла, на удаление которого работают системы кондиционирования воздуха, потребляющие значительное количество электроэнергии, вносится в помещения именно искусственным освещением.
Рис. 3. Основные компоненты системы трубчатого световода:
1 – купол; 2 – проводящий трубчатый канал; 3 – светоперехватывающее устройство; 4 – диффузор
Учет всех этих обстоятельств требует комплексного решения инженерных систем освещения, кондиционирования воздуха и обогрева помещений для снижения затрат на сооружение и эксплуатацию зданий. Как же доставить естественный свет, в том числе прямое солнечное излучение, в центральные части зданий, в зоны, удаленные от боковых светопроемов, в заглубленные помещения, в термоконстантные цеха без нарушения теплового режима? Необходимо использовать новую технологию естественного освещения с помощью полых световодов (рис. 1 и 2).
Осветительные системы с полыми трубчатыми световодами впервые были применены в начале 90-х гг. ХХ в. в Австралии, а затем – в США и Канаде. Наиболее широко новая технология используется в последние годы – после организации серийного производства световодов в Италии и Великобритании. В настоящее время Технический комитет ТС3.38 Международной комиссии по освещению подготавливает официальный отчет по этим системам.
Системы с полыми трубчатыми световодами состоят из трех основных узлов: светопринимающего, транспортирующего свет и светоперераспределяющего (светорассеивающего). Светоприемное устройство в виде прозрачного купола располагается вне здания, на крыше или фасаде (рис. 3), и может содержать специальный оптический элемент, принимающий прямой поток от солнца и диффузный свет неба от всей полусферы (при установке на крыше), работая одновременно рефрактором для северного бокового света и рефлектором для южного прямого света. Этот элемент является «оптической воронкой», заполняющей световод естественным светом. Купол устанавливается на крыше с помощью специального устройства в виде «стакана», интегрирующего купол в компоненты кровли и предотвращающего попадание влаги.
Рис. 4. Общий вид крыши здания со светоприемным устройством
Транспортирующий свет узел – набор стыкуемых алюминиевых труб прямолинейной или коленчатой формы (рис. 4), имеющих изнутри полимерное многослойное покрытие с коэффициентом отражения более 0,99.
Свет от светоприемного устройства распространяется вдоль световода на основе многократных отражений и выходит в освещаемое помещение через светорассеивающий узел или диффузор. Диаметры труб световодов 250–375–530–650–900 мм. Колена обеспечивают поворот от 0 до 30°, от 0 до 60° и от 0 до 90°.
Диффузор может быть различного размера, формы (круглый и квадратный) и выполняться из различного материала, но, как правило, имеет светорассеивающую поверхность и неслепящую яркость. Световоды могут быть укомплектованы дополнительными устройствами:
• лампой вечернего/ночного освещения, вытяжным вентилятором
• устройством плавного ограничения светового потока с дистанционным управлением.
Преобладающая часть территории Центральной России на протяжении всего года имеет большой уровень наружной естественной освещенности. Летом, при солнце, он достигает 100 клк. На широте Москвы освещенность более 500 лк на поверхности земли составляет более 4500 ч/год, причем 60 % этого времени – более 12,5 клк, а 40 % времени – более 24,5 клк. В таких условиях полые трубчатые световоды могут обеспечивать достаточную естественную освещенность на требуемых площадях помещений.
Рис. 5. Варианты установки и размещения световодов
Естественная освещенность помещений, обеспечиваемая полыми световодами
Результаты исследования показали, что даже одного световода вполне достаточно для многих вспомогательных помещений и помещений с временным пребыванием людей. При использовании системы освещения многими световодами большого диаметра (600 мм) можно получить достаточно высокие уровни общего естественного освещения. При этом необходимо отметить, что благодаря герметичности внутренней полости световодов и незначительному конвекционному теплообмену в этой полости коэффициент теплопередачи световодов весьма невелик (для световода диаметром 250 мм – 0,2 Вт/К).
Для условий ясного небосвода (100 клк) через световод теряется приблизительно в 3 раза меньше тепла, чем через светопроем (при том же уровне светового потока). Даже в условиях облачности (25 клк) через световод теряется в 1,5 раза меньше тепла, чем через светопроем.
Причина различий в эффективности работы светопроема и световода кроется в том, что световод может собрать как прямой свет солнца, так и рассеянный свет неба. Светопроем, как правило, пропускает только последнюю составляющую, если он специально не ориентирован на юг. В этом случае возникают проблемы слепящего действия и чрезмерной инсоляции, окна тонируют или устанавливают жалюзи, снижая тем самым светопропускающие возможности. Наконец, как уже отмечалось, на вертикальный светопроем падает свет из меньшей области небосвода, чем на вводное устройство световода если нет дополнительных препятствий).
Рис. 6. Общий вид интерьера помещений в промышленном и офисном зданиях с диффузорами
В зависимости от параметров световодов (длины, диаметра, числа колен), времени года и состояния неба коэффициент естественного освещения при работе световодов может составить от 0,7 до 2,5.
Улучшение условий естественного освещения и самочувствия людей с помощью систем полых трубчатых световодов не требует больших инвестиций (существенно меньше 1 % от стоимости строительства) и полностью окупает себя за счет экономии электроэнергии за один-два года.
Представляется крайне важным широкое использование систем с полыми световодами как в новых, так и реконструируемых зданиях для улучшений условий жизнедеятельности людей и экономии расхода электроэнергии.
Юлиан Айзенберг, доктор технических наук, профессор, академик АЭН РФ, директор Московского дома света, главный редактор журнала «Светотехника», Елена Оселедец, генеральный директор Центра экологических инициатив