Полые трубчатые световоды и гибридные системы освещения в архитектуре автономных энергоэффективных зданий

1. А. Т. Овчаров, профессор Томского государственного архитектурно-строительного университета, директор ООО «Световые системы» (г. Томск)
2. Ю. Н. Селянин, генеральный директор ООО «Солар» (г. Краснодар)
3. Я. В. Анцупов, аспирант Томского политехнического университета, инженер ООО «Световые системы» (г. Томск)

Тенденции к строительству зданий больших площадей с ограниченным естественным освещением и освоению подземного пространства с целью рационального использования городской территории и совершенствования инфраструктуры, развитие направлений «энергоэффективное здание» и «энергосбережение в освещении» требуют создания эффективных систем освещения и инженерно-технических решений формирования комфортной и безопасной световой среды. 

Концепция энергоэффективного здания предполагает комплексное решение проблем рационального использования энергии для оптимизации энергетического баланса зданий, при котором приоритет отдается энергосберегающим технологиям, обеспечивающим высокое качество микроклимата здания [1]. В этой связи безальтернативным становится использование экологически чистых возобновляемых источников энергии, среди которых солнечное излучение выступает важнейшим. 

Приобретает актуальность разработка эффективных систем ввода во внутренние пространства естественного света, определяющих особенности проектирования перекрытий и крыши зданий. Строительная отрасль до сих пор ориентирована на использование типовых светопрозрачных систем: вертикальных окон, зенитных фонарей, прозрачной кровли. В комплексе с осветительной установкой (ОУ) светопроемы образуют систему совмещенного освещения (ССО), функционирующую в естественном природном ритме светового времени. 

Эксплуатационные характеристики ССО зависят от параметров и качества световых проемов, эффективности и оптимального использования ОУ. Для ССО с традиционными светопроемами характерны неравномерное распределение освещенности, слепящая яркость в ясный день и нерациональное использование ОУ в силу случайного характера управления, значительные теплопоступления в теплое время года и теплопотери в холодный сезон.

Закономерным и прогрессивным этапом эволюции ССО по праву можно считать появление гибридных систем освещения (ГСО) на базе полых трубчатых световодов (ПТС), в едином устройстве которых объединены конструктивные и излучающие компоненты: источник естественного света — ПТС, источник искусственного света — светодиодные модули и система автоматического управления (САУ) [2–7]. На рис. 1 и 2 показаны составные части систем естественного освещения на базе ПТС и гибридной системы освещения Solar LED-S соответственно

 Рис. 1. Декомпозиция системы естественного освещения на базе ПТС: 1 — светособирающий купол; 2 — элемент сопряжения с кровлей (бордюрный флешинг); 3 — кольцо фиксации световода; 4 — удлинитель световода; 5 — призматический рассеиватель

Рис. 2. Декомпозиция ГОК Solar LED-S на базе ПТС Solatube® М74: 1 — коллектор ПТС Solatube® М74 серии SkyVault; 2 — внешний купол; 3 — внутренний защитный купол; 4 — элемент защиты от проникновения; 5 — бордюрный флешинг; 6 — кольцо фиксации световода; 7 — световод верхней ступени оптического каскада; 8 — светодиодный блок искусственного света (СБИС); 9 — световод нижней ступени оптического каскада; 10 — кольцо для фиксации рассеивателя; 11 — призматический рассеиватель

Инновационные системы ввода естественного света в помещение

ПТС ведущих мировых производителей доведены до высокой степени совершенства, оптимизированы для передачи естественного света и создания комфортной световой среды при минимальных теплопритоках и теплопотерях [8–10]. Эти достоинства явились основанием для создания гибридных систем освещения на базе ПТС [11]. Применение в блоке искусственного света ГСО светодиодов нового поколения со спектральными характеристиками, близкими к показателям солнечного света [12, 13], обеспечивает комфортную световую среду в режимах совмещенного и искусственного освещения. 

Управляемость светодиодами открывает перспективы применения САУ в ГСО. Плавное изменение искусственного компонента в зависимости от уровня естественной освещенности, поддерживающего постоянство освещенности рабочего пространства, делает незаметными для глаза переходы в динамично связанной системе: «естественный — смешанный — искусственный свет». Применение ПТС в качестве системы естественного освещения, несомненно, является инновационным решением передачи естественного света в помещение.

Внедрение световодов в технику и технологию естественного освещения обозначило новый этап развития ССО и обусловлено прогрессом в создании материалов с рекордным значением коэффициента отражения (99,7%) по всему спектру видимого излучения. Такой технологический прорыв в области совершенствования отражающих материалов обеспечил предпосылки к созданию систем передачи света на большие расстояния с малыми потерями и стабильными спектральными характеристиками, природным ритмом создаваемой световой среды и физиологически благоприятным световым комфортом. Преимущества ПТС перед типовыми светопроемами в части теплофизических характеристик позволяют создавать здоровый микроклимат в помещении при минимальных энергетических затратах [11].

Конструктивной единицей ГСО, объединяющей все компоненты системы в законченный светотехнический продукт с характерными свойствами и параметрами, является гибридный осветительный комплекс (ГОК). Линия продуктов отечественных ГОК представлена моделью Solar LED-S (рис. 2). ГОК позиционируется как альтернатива типовым светопроемам, превосходя их по светотехническим и теплотехническим параметрам.

Сравнительные характеристики светопроемов

Сравнительный анализ ССО на базе ГОК и типовых светопроемов верхнего естественного освещения (зенитные фонари, прозрачная кровля) на примере их использования в одном из торговых центров показал превосходство свето- и теплотехнических характеристик ГОК (табл. 1) [11]. Типовые светопроемы, обеспечивая нормативные требования к освещению, не решают задач оптимизации энергобаланса помещений и повышения энергоэффективности инженерных систем и сетей.

В табл. 2 и на рис. 3 приведены соответственно номенклатура, световые характеристики и внешний вид изделий линии продуктов ГОК Solar LED-S разных модификаций.

Таблица 1. Сравнительные характеристики типовых светопроемов и полых трубчатых световодов

Примечания. 1. При использовании типовых светопроемов наблюдаются высокая неравномерность распределения освещенности, дискомфортная слепящая яркость прямых солнечных лучей, наличие блуждающего по помещению солнечного пятна в течение дня; системы освещения на базе ПТС и ГСО устраняют недостатки типовых светопроемов и создают комфортную световую среду. 2. Применение САУ в ГСО увеличивает энергосберегающий эффект в несколько раз. 3. Дисконтированный срок окупаемости инвестиций в ГСО при сравнении со строительством типовых светопроемов для торгового центра — менее трех лет. 4. ГСО обладает функциями аварийного освещения в режиме естественного света и сохраняет эти функции в режиме искусственного света при автономном электропитании от солнечных батарей.

Таблица 2. Номенклатура и характеристики модификаций ГОК Solar LED-S

* Структура условного обозначения построена по принципу перечисления сверху вниз элементов ГОК. Например, модификация III — 530/СБИС/740У: 530 — диаметр трубы световода верхней ступени оптического каскада, мм; СБИС — монтажная панель с блоками светодиодных модулей; 740 — диаметр трубы световода нижней ступени оптического каскада, мм; У — конусообразный усилитель (коллиматор); К — коллектор. ** Фv ЕО — номинальный световой поток естественного света, передаваемый по ПТС верхней ступени оптического каскада. *** Фv ИО — номинальный световой поток, излучаемый СБИС и передаваемый по ПТС нижней ступени оптического каскада; БП — блок питания СМ.

Особенности устройства ГОК и монтажа ГСО Solar LED-S

В конструкции ГОК Solar LED-S принята новая концепция каскадного построения оптического тракта системы [3], позволившая успешно решить проблему снижения затрат на обслуживание. Техническое решение заключается в размещении светодиодного блока искусственного света (СБИС) и элементов управления внутри бордюра, установленного на поверхности кровли сооружения (наружное исполнение) (рис. 4, а). Все элементы, расположенные внутри бордюра, защищены сверху бордюрным флешингом, обеспечивающим надежную гидроизоляцию. В каждой из четырех стенок бордюра выполнены сервисные лючки, через которые обеспечивается доступ к монтажной панели СБИС для выполнения ремонтных и сервисных работ. Комплектность СБИС для номенклатуры линии продуктов ГОК Solar LED-S приведена в табл. 2. Управляемый СБИС имеет блочную конструкцию, обеспечивающую обслуживание без применения специальных инструментов. Строительно-монтажная конструкция ГСО выполнена таким образом, что между трубой световода верхнего каскада, бордюром, флешингом и панелью образован свободный объем, достаточный для размещения светодиодных блоков и производства работ по их техническому обслуживанию.

Рис. 3. Модификации изделий линии продуктов ГОК Solar LED-S

При этом персонал находится на поверхности кровли здания на уровне сервисных лючков. В рабочем состоянии сервисные лючки закрываются герметичными дверцами. Наружное строительно-монтажное исполнение минимизирует эксплуатационные затраты на обслуживание систем. Каскадная конструкция ГСО обладает универсальностью в отношении способа и места сборки и допускает возможность внутреннего монтажа, который может быть наиболее оптимальным при определенных обстоятельствах или архитектурных особенностях сооружения (рис. 4, б). Высокий уровень потребительских свойств ГСО является определяющим фактором предпочтения таких систем при проектировании зданий и сооружений, в частности при выборе конструкции крыши и типа кровли.

Сферы использования ПТС и ГСО

Области и перспективы применения ПТС и ГСО в качестве общего освещения не имеют принципиальных границ. Благодаря превосходным свето- и теплотехническим параметрам (табл. 1) инновационные системы ГСО перспективны для объектов больших площадей различного назначения в целях создания световой среды высокого качества, комфортного микроклимата и энергосберегающего исполнения инженерных сетей жизнеобеспечения. В перечень таких объектов входят торговые центры (рис. 5), спортивные комплексы — манежи, катки, ледовые дворцы, общественные и промышленные объекты. Физиологически благо­приятная световая среда, создаваемая ГСО, открывает горизонты их применения в качестве систем общего освещения на объектах медицинского, образовательного (в том числе детских дошкольных и школьных учреждений) и сельскохозяйственного (теплицы, животноводческие фермы, птичники и пр.) назначения.

Рис. 4. Варианты монтажа ГСО Solar LED-S: а — наружное исполнение, СБИС установлен внутри бордюра; б — внутреннее исполнение, СБИС установлен внутри помещения*

*СБИС — кольцеобразная монтажная панель, на которой герметично установлены светодиодные блоки, включающие светодиодный модуль (СМ), радиатор охлаждения и управляемый электронный источник питания СМ; излучающий модуль закреплен на торцевой поверхности радиатора охлаждения так, что после установки радиатора на монтажную панель излучатель обращен в полость нижней ступени оптического каскада.

Рис. 5. Пример применения ПТС и ГСО в торговом центре (Семейный торговый центр «МЕГА-Адыгея»)

Рис. 6. Помещение «Комната переговоров» торгового центра

Инновационные системы ввода естественного света являются стимулом для реализации объектов, в помещения которых естественный свет может быть доставлен только посредством световодов и для которых согласно требованиям нормативных документов (СП и СанПиН) устанавливается нормируемый уровень коэффициента естественной освещенности (КЕО).

В 2017–2018 гг. система ГОК Solar LED-S получила первое применение в помещении «Комната переговоров» магазина «ИКЕА Белая Дача» (Москва) (рис. 6–8). На объекте установлены два ГОК модификации II — 530/СБИС/740 (см. табл. 2). Проектом предусмотрены и реализованы полностью автономная система питания осветительной установки на основе солнечных батарей (рис. 8), а также система автоматического управления (САУ), датчик постоянной освещенности которой показан на рис. 6 (на потолке между рассеивателями). Естественная освещенность при высокой облачности 400 лк. 

При солнечной погоде предусмотрено регулирование естественного светового потока с помощью диммеров с возможностью полного отключения естественного освещения (например, при проведении видеопрезентаций).

Рис. 7. Процесс монтажа ГОК Solar LED-S в помещении «Комната переговоров» торгового центра. СБИС размещен в пространстве технического этажа, расположенного над потолком помещения под кровлей (внутреннее исполнение)

Рис. 8. Вид на крышу, вводный узел ГОК и солнечные панели

Подводя итоги сказанному, необходимо отметить, что предложенные инновационные системы передачи естественного света во внутренние пространства дополняют арсенал средств и ресурсов комплексных решений в архитектуре и строительстве энергоэффективных зданий для формирования здоровой, энергонезависимой среды обитания человека. Высокий уровень параметров и совокупное решение создают предпосылки для широкого внедрения ПТС и ГСО в системы общего освещения объектов, где главными показателями качества освещения являются световой комфорт и энергосбережение. 

Основу формирования структуры ГСО для осветительных систем комфортной световой среды и высокой энергетической эффективности составляет интеграция трех компонентов совмещенного освещения: системы передачи естественного света как базового звена, светодиодной системы искусственного света высокой эффективности и ключевого элемента — системы автоматического управления. Базовой составной частью является полый трубчатый световод, который обеспечивает прием и передачу естественного света. Блок искусственного света на основе светодиодов нового поколения равноценно дополняет естественный компонент. 

Система автоматического управления благодаря непрерывному и плавному регулированию искусственной составляющей светового потока ГСО делает незаметной для глаза динамику функционирования всех составляющих световой среды.