Применение полых трубчатых световодов для естественного

Budownictwo o zoptymalizowanym potencjale energetycznym
Maksims STOLAROVS
Национальный исследовательский Московский государственный
строительный университет, Россия
ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛЫХ ТРУБЧАТЫХ СВЕТОВОДОВ
ДЛЯ ЕСТЕСТВЕННОГО ОСВЕЩЕНИЯ ЗДАНИЙ В РОССИИ
The article presents data on the experiences of using tubular skylights for natural lighting of buildings in Russia. The results of field measurements in the offices of
“Passenger Port St. Petersburg Marine Façade”, where tubular skylights were used.
Made a comparison of calculated data with the results of field measurements, which
showed the characteristic convergence. It is noted that further improvement of the
system should go in the direction of combining tubular skylights with LEDs and
automatic control of the combined lightning.
1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
В последние годы полые трубчатые световоды стали широко применяться
в странах Европы и Северной Америки [1, 2]. Наиболее подробно
применение световодов для естественного освещения зданий рассмотрено
в статье [3]. Опыт их применения подтверждает, что это эффективное
средство для освещения тех частей зданий, куда естественный свет не имеет
доступа, в том числе и подвальных помещений. Они не только позволяют
экономить электроэнергию, затрачиваемую на искусственное освещение, но
и обеспечивают в помещении непрерывный спектр естественного света, его
природную динамику и через спектр и интенсивность позволяют судить
о погоде снаружи. Зaтeм можно сказать, что они обеспечивают минимальную
связь с внешней средой, что очень важно в психологическом отношении.
Применение полых трубчатых световодов эффективно как в многоэтажных и одноэтажных широких производственных, так и в складских
помещениях с кондиционированием воздуха. Фонари верхнего естественного
света, которые могли бы быть применены для естественного освещения таких
зданий вместо световодов, создают большие теплопотери зимой, на
восполнение которых затрачивается большое количество энергии. Летом
через фонари в помещение поступает тепло и солнечная радиация.
В помещениях, оснащенных системами кондиционирования воздуха, на
ликвидацию таких поступлений тепла расходуется значительное количество
электроэнергии.
238
M. Stolarovs
Световоды не создают дополнительных теплопотерь и теплопоступлений.
Поэтому применение световодов эффективно и в таких зданиях. Как видно из
приведенных иллюстраций (рис. 1-3), световоды, при необходимости, могут
обходить элементы несущих конструкций в чердачном пространстве.
В широких помещениях пролетов промышленных зданий световоды
обеспечивают хорошую освещенность. Схема устройства такого световода
приведена в [3]. Изменение направления распространения света обеспечивает
коленчатыми участками трубы. Внутренняя поверхность труб покрыта
пленкой с высоким коэффициентом отражения (до 98%). На крыше здания
располагается приемное устройство в виде купола, внутри которого
находится стационарное устройство, перенаправляющее прямой солнечный
свет, а так же диффузный свет неба ближе к оси трубы для того, чтобы
уменьшить количество отражений света внутри трубы.
Рис. 1. Освещение складского помещения световодами
.
Рис. 2. Освещение учебного класса
Применение полых трубчатых световодов для естественного освещения зданий в России
239
.
Рис. 3. Пример обхода световодом элементов конструкций
Поэтому применение световодов эффективно и в таких зданиях. Как видно
из приведенных иллюстраций (рис. 1-3), световоды, при необходимости,
могут обходить элементы несущих конструкций в чердачном пространстве.
В широких помещениях пролетов промышленных зданий световоды
обеспечивают хорошую освещенность. Схема устройства такого световода
приведена в [3]. Изменение направления распространения света обеспечивает
коленчатыми участками трубы. Внутренняя поверхность труб покрыта
пленкой с высоким коэффициентом отражения (до 98%). На крыше здания
располагается приемное устройство в виде купола, внутри которого
находится стационарное устройство, перенаправляющее прямой солнечный
свет, а так же диффузный свет неба ближе к оси трубы для того, чтобы
уменьшить количество отражений света внутри трубы.
2. ОПЫТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОЛЫХ ТРУБЧАТЫХ СВЕТОВОДОВ
ДЛЯ ЕСТЕСТВЕННОГО ОСВЕЩЕНИЯ ЗДАНИЙ
Осветительные системы с полыми трубчатыми световодами для
естественного освещения впервые были применены в начале 90-х годов ХХ
века в Австралии, а затем - в США, Канаде и Европе. В настоящее время
общее количество установленных полых трубчатых световодов в мире свыше полутора миллиона единиц. Области их применения самые
разнообразные. Полые световоды устанавливаются в частном жилом секторе,
в складских, торговых, спортивных комплексах, в сборочных цехах
предприятий, госпиталях, музеях, аэропортах и подземных стоянках, а также
240
M. Stolarovs
в детских дошкольных, общеобразовательных и высших учебных
учреждениях, библиотеках и офисах.
Световоды выпускаются в следующих основных диаметрах: 250-375-530650-900 мм. Угловые адаптеры обеспечивают регулируемый поворот трубы
от 0 до 30°, от 0 до 60° и от 0 до 90°. Светораспределяющее устройство диффузор - может быть различного размера, формы (круглый и квадратный)
и выполняется из различных материалов, но, как правило, имеет
светорассеивающую поверхность и неслепящую яркость.
Следует отметить, что наибольшая эффективность применения световодов
достигается при использовании автоматического регулирования дополнительного искусственного освещения. Это было показано в статье [3] на
примере небольшого помещения с четырьмя световодами диаметром 350 мм.
Рис. 4. График по расчетам Дж. Бракале для г. Москвы
При использовании световодов бoльшего диаметра и меньшей длины их
эффективность (величина КЕО и абсолютные значения освещенности внутри
помещений) будет достаточно высокой. При этом в летний период за счет
большей вероятности ясного неба и освещения приемного устройства
прямыми солнечными лучами экономия энергии будет значительно выше,
чем в зимний период. Тем не менее, как показывают расчеты, средняя
Применение полых трубчатых световодов для естественного освещения зданий в России
241
экономия электроэнергии за год при применении автоматического
регулирования составляет порядка 60%. Это подтверждается расчетами Дж.
Бракале для г. Москвы (рис. 4), который, также, как и в статье [3]
использовал для характеристики экономии энергии годовое количество
освещения в люкс часах (у Дж. Бракале - люмен часы). Дополнительное
преимущество при этом имеют светодиоды. При условии исправления
известных имеющихся недостатков светодиодов, они смогут создавать
необходимый спектр излучения и регулировать излучаемый световой поток
в зависимости от наружной освещенности.
3. РАСЧЕТЫ ЕСТЕСТВЕННОГО ОСВЕЩЕНИЯ
ПРИ ПРИМЕНЕНИИ СВЕТОВОДОВ
Метод расчета естественного освещения помещений при помощи полых
трубчатых световодов, разработанных в Московском государственном
строительном университете (МГСУ бывший МИСИ им. Куйбышева)
приведен в [3]. Расчет ведется в два этапа. Первый этап осуществляется для
того, чтобы выяснить, какая часть естественного света доходит до помещения
и сколько света теряется внутри трубы. На первом этапе расчет производится
по методике Застрова, Виттвера и Бинг-Чао [4, 5]. На втором этапе
рассчитывается естественный свет внутри помещения от диффузора
световода до расчетной точки. Расчет может производится по закону
Ламберта, либо по формуле, приведенной в СП 23-102-2003. Эти две
методики дают абсолютно одинаковые результаты.
Данный метод дает возможность рассчитывать как абсолютные значения
освещенности в люксах, так и величины КЕО. При этом в отличие от
обычных систем естественного света распределение яркости пасмурного неба
МКО влияет на результаты расчета КЕО минимально. Поэтому постоянная
величина КЕО от световодов сохраняется и при ясном небе, и при прямом
солнечном освещении. Этот вопрос еще предстоит исследовать отдельно.
Так как метод расчета разработан чисто теоретически, возникала
необходимость проверить точность расчетов в натурных условиях.
4. КРУПНЕЙШИЙ ПРОЕКТ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПОЛЫХ ТРУБЧАТЫХ
СВЕТОВОДОВ В РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ.
РЕЗУЛЬТАТЫ НАТУРНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ
Несмотря на трудности в продвижении полых трубчатых световодов на
Российском рынке, закупки световодных систем постепенно наращивают
объемы. Так, в Санкт-Петербурге в двух многофункциональных зданиях
ОАО «Пассажирский порт Санкт-Петербург «Морской Фасад» весной 2011
года было установлено 105 световодных систем диаметрами 250, 375
и 530 мм.
242
M. Stolarovs
Пассажирский порт специально спроектирован и построен для работы
с круизными и пассажирскими паромными судами. В связи с этим, особое
внимание было уделено обеспечению высокой экологической чистоты порта,
и соблюдению всех природоохранных правил, установка световодов как
нельзя лучше соответствует этим требованиям. По свидетельству
пользователей в течение лета в рабочее время они не включали
электрический свет.
Характеристики и размеры зданий таковы, что бόльшая часть рабочих
и офисных помещений находятся на значительном удалении от источников
естественного освещения или лишены его вообще. Руководством ОАО
«Пассажирский порт Санкт-Петербург «Морской Фасад» было принято решение о необходимости установки комплектов световодных систем для
обеспечения норм естественного освещения в помещениях, где будут
работать люди. Разность диаметров объясняется необходимостью учитывать
ограниченность пространства под крышей из-за множества технологических
и коммуникационных устройств, заложенных в строительном проекте.
Световоды с меньшим диаметром (250 мм) установлены в помещениях,
над которыми коммуникационная сеть не позволила размещение более
крупных. Поскольку крыша зданий располагается под углом 8 градусов
к горизонтальной оси, длина установленных световодов колеблется от 3 до
4,5 м.
Рис. 5. Здание ОАО «Пассажирский порт Санкт-Петербург «Морской фасад»
Натурные исследования проводились в августе 2011 года. Освещенность
измерялась приборами - люксметрами «ТКА-ПКМ» (ТУ 4215-003-1679602404) параллельно внутри помещений в уровне рабочей поверхности (≈ 0,8 м
над уровнем пола) и снаружи здания на кровле. Теоретические расчеты
проводились по методике, разработанной в МГСУ, основанной на законе
Ламберта [3]. Расчеты выполнены Столяровым М. на ПК в рамках
диссертационной работы по теме «Целесообразность применения трубчатых
полых световодов в условиях Российского климата».
Применение полых трубчатых световодов для естественного освещения зданий в России
243
В первую очередь снимались геометрические размеры помещений, для
составления планов и разрезов, необходимых для выполнения расчетов
освещенности. На втором этапе в помещениях наносились контрольные
точки - маркеры с шагом 1 метр. Третий этап представлял собой непосредственные замеры освещенности в контрольных точках в разное время
суток (в 10:00, 13:00, 15:00). Четвертый этап - обработка результатов
измерений, построение графиков освещенности и КЕО в контрольных точках.
На последнем этапе производилось выполнение теоретических расчетов для
последующего сравнения результатов с экспериментальными данными.
Рис. 6. Процесс проведения натурных измерений
Комната 210. Прямоугольное помещение площадью - 36,6 м2 с размерами
в плане 8,29 х 4,42 м. Комната освещена тремя световодами диаметром 375
мм и длиной 4,0 м. Для измерений были установлены 16 точек - маркеров.
В результате последующей обработки результатов измерений были
построены графики КЕО (рис. 7) по трем линиям: А210, В210, С210. Среднее
значение КЕО для комнаты 210 составило 0,332% при средней наружной
освещенности около 65000 лк.
244
M. Stolarovs
Рис. 7. План помещения 210 с привязкой контрольных точек. Графики
экспериментальных измерений КЕО на условной рабочей поверхности и сравнение
их с результатами теоретических расчетов
Комната 211. Прямоугольное помещение площадью - 25,8 м2 с размерами
в плане 5,84 х 4,42 м. Комната освещена одним световодом диаметром
375 мм и длиной 4,0 м. Для измерений были установлены 10 точек маркеров. В результате последующей обработки результатов измерений были
построены графики КЕО (рис. 8) по трем линиям: А211, В211, С211. Среднее
значение КЕО для комнаты 211 составило 0,157% при средней наружной
освещенности около 65000 лк.
Рис. 8. План помещения 211 с привязкой контрольных точек. Графики экспериментальных
измерений КЕО на условной рабочей поверхности и сравнение их с результатами
теоретических расчетов
Комната 331. Прямоугольное помещение площадью - 31,1 м2 с размерами
в плане 5,89 х 5,26 м. Комната освещена двумя световодами диаметром
530 мм и длиной 4.0 м. Для измерений были установлены 17 точек -
Применение полых трубчатых световодов для естественного освещения зданий в России
245
маркеров. В результате последующей обработки результатов измерений были
построены графики КЕО (рис. 9) по трем линиям: А331, В331, С331. Среднее
значение КЕО для комнаты 331 составило 0,741% при средней наружной
освещенности около 73000 лк.
Рис. 9. План помещения 331 с привязкой контрольных точек. Графики
экспериментальных измерений КЕО на условной рабочей поверхности и сравнение
их с результатами теоретических расчетов
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Анализируя полученные результаты можно сделать вывод, что расчеты,
выполненные по методике МГСУ с использованием формулы Ламберта (либо
по формуле в СП 23-102-2003) могут быть рассмотрены в качестве
дополнительных данных для проектирования систем естественного
освещения с использованием трубчатых полых световодов.
ЛИТЕРАТУРA
[1] Бракале Дж., Естественное освещение помещение помещений с помощью новой пассивной
системы «SOLARSPOT», Светотехника 2005, 5.
[2] Пейн Т., Развитие полых световодов в Великобритании, Светотехника 2004, 3.
[3] Соловьев А.К., Полые трубчатые световоды. Их применение для естественного освещения
и экономии энергии, Светотехника 2011, 5.
[4] Sastrow A., Wittwer V., Daylight with mirror light pipes and with fluorescent planar concentrators, Proceeding SPIE, 1987.
[5] Chao B.L., Solartube performance and pay back analysis, International report STI, July, 29, 1996.