Освещение световодами: современное применение и преимущества

Российские архитекторы досадно ограничивают себя в проектных решениях, а их заказчики много теряют в использовании естественного освещения, когда пренебрегают современными, эффективными световодами. Световоды представляют собой сложную оптическую систему из нескольких ключевых элементов, позволяющую передавать естественный свет в помещения, где традиционное освещение затруднено или невозможно.

Схема работы световода

Принцип работы световодов

Работа световодов основана на законах физики, напоминая принцип действия перископа. Световые лучи попадают в систему через верхний коллектор, отражаются от зеркальных поверхностей и направляются внутрь помещения. Важно отметить, что эффективность работы зависит от правильного расчета угла наклона и расположения элементов системы.

Основные элементы световода:

• Светособирающий купол: Устанавливается на крыше и работает как гигантская линза, собирая солнечный свет. Верхний купол имеет специальное защитное покрытие, предотвращающее загрязнение.
• Система зеркал или оптоволоконных трубок: Передает свет внутрь помещения.
• Диффузоры: После того, как свет доставлен в зону освещения, задача диффузоров - распределить его по помещению.

Принцип работы и установка световода

Преимущества использования световодов

Главные преимущества очевидны: перенос естественного светового потока без промежуточного преобразования в другие виды энергии и заметных потерь (в отличие от солнечных батарей, ветряных генераторов, приливных электростанций и т.п.), гигантская экономия электроэнергии, особенно когда речь идёт о помещениях складов, промышленных зонах, подземных парковках и так далее.

Преимущества естественного освещения

Естественный свет обладает массой преимуществ:

• Создает уютную атмосферу в помещении и помогает обустроить комфортное рабочее место.
• Полезен для здоровья, способствует выработке витамина D в организме, нормализует работу нервной системы и сон.
• Уменьшает вред от искусственного освещения.
• Экономичность и нетрудоемкость обслуживания.

Есть западные исследования, показывающие, что смена искусственного освещения на естественный свет в помещениях с круглосуточным режимом освещения повышает производительность труда, снижает заболеваемость и утомляемость работников. Естественный свет считается самым безопасным для глаз человека, кроме того, он положительно влияет на цветовосприятие.

Типы световодов

Типов конструкций световодов, как говорит Кузнецов, существует множество, но массовыми по технологическим и экономическим причинам оказались полые трубчатые световоды. Сегодня, как объясняет Александр Кузнецов, по соображениям цена-качество доминирующим типом световодов являются полые зеркальные трубчатые световоды. В них для передачи света используется многократное зеркальное отражение его от поверхности внутренней стенки.

В качестве примера можно рассмотреть продукцию итальянской фирмы Solarspot International S.r.l. У световодов Solarspot® диаметр трубы может колебаться в широких пределах от 250 до 900 мм, и чем диаметр трубы больше, тем, разумеется, потери света меньше. Световоды Solarspot® выпускаются с диаметрами трубы пяти размеров: 250 и 375 мм - для жилых помещений, офисов, общеобразовательных учреждений, и 530, 650 и 900 мм - для складских, торгово-развлекательных, спортивных, производственных зданий, гипермаркетов, подземных стоянок и так далее.

Задача коллектора - собрать как можно больше солнечного света для последующей транспортировки его к месту использования. Эта часть световода может быть расположена горизонтально или наклонена к оси трубы. В световодах Solarspot® здесь находится патентованное оптическое светоотражающее устройство, изменяющее направление светового потока: RIR®, или Rifracione Interattiva Riflessa (ит.).

По сути, это особым образом вырезанная линза Френеля, способная собирать и перенаправлять свет не только с «урожайных» южных направлений, но и с северных. RIR® позволяет собрать максимум света не только посредством улавливания прямых солнечных лучей, но и свет небесной полусферы при облачном небе. Совершенно очевидно, что любой световод способен передать только то количество света, которое захвачено коллектором. Именно поэтому существует много вариантов исполнения этого узла, учитывающих и уровень снежного покрова, и расположение по отношению к другим элементам конструкции и к оборудованию на крыше или фасаде здания. Решения по коллектору крайне важны, так как будут во многом определять эффективность всей системы в целом.

Адаптация световодов к конструкциям зданий

Дальность доставки света определяется прежде всего архитектурой здания. Конечно, для адаптации световодных систем к конструкциям зданий элементы удлинительных труб всех диаметров изготавливаются различной длины: от 300 до 1200 мм. Александр Кузнецов вспоминает световод в здании головного офиса ОАО «Банк Москвы», который проходит через шесть этажей и освещает служебное помещение на первом и этаже.

Диффузоры и комфорт пользователей

После того, как свет доставлен в зону освещения, задача диффузоров - распределить его по помещению. И хотя с технической точки зрения рассеиватели в общем случае - не самый сложный узел, именно они находятся «на виду» и именно они отвечают за субъективный комфорт пользователей. Однако именно на диффузоры поднимает недовольный взгляд клиент, когда что-то идёт не по плану. А когда речь идёт о естественном природном свете, не по плану может пойти очень многое. Например, может упасть уровень освещённости снаружи.

Совмещение естественного и искусственного освещения

Необходимость совмещения устройств естественного и искусственного освещения, собственно, стала понятна давно. Производители световодов решали эту проблему, спрятав энергосберегающие лампы в светопроводящую трубу. В световодах Solarspot® их главный идеолог и конструктор доктор Дженнаро Бракале пошёл иным путём: он разместил светодиоды по внешнему периметру диффузора в помещении, полностью убрав их из световодного канала.

Встроенная в декоративную раму диффузора группа светодиодов (система LED Solarspot®) может дополняться электронным устройством компенсации яркости дневного света по окончании светового дня. Однако бывают и обратные ситуации: когда яркость света надо не увеличивать, а уменьшать (например, для демонстрации в зале видеоматериалов).

Безопасность и эффективность световодов

Есть несколько моментов, на которые, как говорит Кузнецов, клиенты чаще всего обращают внимание, и о которых резонно помнить проектировщику. Некоторых смущает, что световод - особенно большого диаметра - это своего рода канал несанкционированного проникновения в помещения через крышу. Однако проблема эта решена благодаря встраиваемой по желанию клиента в трубу световода решетке из нержавеющей стали толщиной 8 мм.

В 2012 году экспертами в сфере естественного освещения из исследовательского центра BRE (Великобритания) были проведены испытания ведущих мировых световодных систем на предмет эффективности доставки света. Детальный отчёт об испытаниях, проходивших в здании BRE в Брикет Вуд, графство Хертфордшир, можно посмотреть на сайте организации. Важно, что в сериях из трёх испытаний световод Solarspot оказался бесспорным лидером по главному параметру световодов: эффективности передачи освещения, с величиной около 70%.

Кстати, напоминает Кузнецов, не стоит попадаться на удочку недобросовестных поставщиков, утверждающих, что эффективность их световодов близка к 97%. Они лукавят, представляя клиенту вместо показателя эффективности светопередачи значение отражающей способности труб своих световодов.

Применение световодов в мире и в России

Световоды Solarspot® работают в полусотне стран мира. Только в Европе их установлено более 300 тысяч. Изделия итальянских мастеров награждены многочисленными наградами: 2003 год - золотая медаль на конкурсе изобретений и инноваций Международной выставки строительных технологий BATIMAT в Париже; 2006 год - международный сертификат ATEC (устройства, сертифицированные для строительства). Изделия имеют сертификаты CSTB Avis Technique (самый свежий - от 2014 года) и сертификаты российских органов контроля, а также сертификат стандартов ISO 9001-2008 «Разработка и производство систем доставки естественного освещения - полых трубчатых световодов».

Однако в России за исключением всего нескольких объектов (например, здания ОАО «Центр Международной Торговли» и уже упоминавшегося ОАО «Банк Москвы» световоды встречаются пока редко. Кроме того, как это ни странно, большинство реализованных проектов с применением световодов были заказаны иностранными компаниями, работающими в нашей стране. К сожалению, говорит Кузнецов, российские заказчики и архитекторы просто не знают толком ничего про эти устройства.

А ведь световоды - стопроцентно устойчивое строительное решение, за которое можно получить дополнительные баллы в системах сертификации LEED или BREEAM.

Заказать системы естественного освещения особенно актуально для помещений с ограниченным доступом к окнам. Инвестиции в установку световодов окупаются за счет существенной экономии электроэнергии. Важно учитывать особенности кровельного покрытия и конструкцию перекрытий при планировании монтажных работ.

Волоконная оптика и световоды

Световод представляет собой закрытое устройство для направленной передачи света. Свет, попадающий на торец световода, может распространяться по нему на большие расстояния за счёт полного внутреннего отражения от боковых поверхностей. Использование световодов позволяет значительно уменьшить потери световой энергии при её передаче на расстояния, а также использовать криволинейные трассы.

Научно-техническое направление, занимающееся разработкой и применением оптических световодов, называется волоконной оптикой. Волоконная оптика развивается по шести направлениям: многоканальные системы передачи информации; кабельное телевидение; локальные вычислительные сети; датчики и системы сбора обработки и передачи информации; связь и телемеханика на высоковольтных линиях; оборудование и монтаж мобильных объектов.

Основное применение световоды нашли в качестве закрытых линий связи. Сейчас такие линии связи занимают ведущую позицию в системах передачи информации. Волоконная оптика как раздел техники возникла лишь в 50 гг. XX века, поскольку до этого времени почти не существовало доступных оптических материалов с нужными физическими свойствами (прозрачность, гибкость и т.д.).

В настоящее время открылись широкие горизонты практического применения волоконно-оптических систем передачи в различных отраслях народного хозяйства. Так, инфракрасные спектральные сенсоры с кристаллическими световодами успешно используются для спектрального химического анализа состава жидкостей, что позволяет использовать их для контроля качества продуктов, для контроля химических реакций в режиме реального времени, для контроля уровня глюкозы в крови. На основе кристаллических световодов разработан прибор для измерения температуры бесконтактным методом, который позволяет контролировать быстропротекающие тепловые процессы в науке и технике.

Инфракрасная световодная термометрия может найти применение при измерении температуры в мощных электромагнитных полях и в местах с отсутствием прямого оптического доступа. Оптическое волокно может быть использовано как датчик для измерения напряжения, температуры, давления и других параметров, что позволяет их использовать в технике. Пучок света, передаваемый оптоволокном, иногда используется совместно с линзами - например, в эндоскопе, который используется, например, в медицине для изучения внутренних органов через маленькое отверстие. Существует и лазерный микроскоп, работающий с лазером и оптическим волокном.

Оптоволоконные световоды также широко используются для освещения: игрушки, реклама, светильники, ёлки и многое другое.

Сравнение эффективности световодов

В таблице ниже представлены сравнительные данные об эффективности различных типов световодов, основанные на исследованиях BRE (Великобритания):

Тип световода	Эффективность передачи освещения
Solarspot	~70%
Другие производители (среднее значение)	~50-60%

Сравнение эффективности световодов