Классификация полых световодов

Любая сфера жизнедеятельности: производственная, социальная, культурно- бытовая — требует организации освещения помещений. В относительных единицах электроэнергия, затрачиваемая на освещение, может показаться незначительной, но в абсолютных цифрах представляет собой весьма внушительную величину. Более того, мировые тенденции таковы, что по мере развития производительных сил доля энергии, затрачиваемой на освещение, возрастает. Именно поэтому ведущие архитекторы развитых стран считают особенно актуальным вопрос правильной организации естественного освещения. Данная статья подготовлена на основе технического отчета Международной комиссии по освещению (CIE), в котором содержится информация о теоретическом и экспериментальном уровне развития применения полых световодов.

Традиционные вертикальные окна могут обеспечивать нормальное естественное освещение на расстояниях приблизительно 6 м от окна. Поскольку уровень естественного освещения уменьшается с возрастанием расстояния от окна, непропорциональное количество света должно поступить в окно комнаты для того, чтобы добиться незначительного увеличения освещения удаленной части комнаты. С одной стороны, это приводит к сбережению электрической энергии из-за уменьшения электрического освещения. С другой стороны, перегрев помещения и связанный с ним рост затрат на охлаждение и кондиционирование могут свести «на нет» экономию энергии.

Атриумы, окна верхнего света на крыше и зенитные фонари могут пропускать свет в помещения, удаленные от вертикальных окон, но они менее эффективны, чем системы перераспределения света. В данном докладе рассматривается распространенный метод перенаправления солнечного света с использованием систем, известных как полые световоды (или как трубчатые направляющие системы естественного света).

Полые световоды — линейные устройства, которые направляют естественный свет внутрь здания. Они состоят из светонаправляющей секции, на внешнем конце которой находится оптическая система для «сбора» естественного света, а на ее внутреннем конце размещается рассеиватель для распределения света во внутренней части помещения. Оптическая система может быть размещена на уровне крыши здания, что позволяет ей собирать свет из всей полусферы небосвода.

Кроме того, свет может быть собран с помощью устройства, установленного на фасаде здания. Оно обеспечивает интенсивное использование естественного света. При использовании горизонтальной системы поток солнечного света, входящий через коллектор, смонтированный на фасаде, зависит от ориентации фасада и сезона.

Александр Овчаров, профессор Томского политехнического университета, кафедра лазерной и световой техники

В нашей стране технология освещения помещений естественным светом с помощью световодов пока с трудом пробивает себе дорогу. К сожалению, до сих пор нет понимания экономической целесообразности и широких перспектив применения световодов ни со стороны заказчика, ни со стороны чиновников. Кроме того, государство никак не стимулирует владельцев здания применять энергосберегающие технологии.

Заинтересованность у заказчиков появляется только тогда, когда, например, владельцу крупного гипермаркета объясняешь, что он сможет сэкономить 2-3 млн руб. в год и срок окупаемости световодов составит 3-6 лет (при сроке службы, равнозначном сроку службы здания).

Многие опасаются, что зимой световоды засыпет снегом и они не будут пропускать достаточное количество света. На самом деле это не так: в регионах с высоким снеговым покровом сферы ставят с тем расчетом, чтобы они оказывались выше уровня снега.

Коллекторы света могут представлять собой либо оптические устройства, которые перенаправляют естественный свет, либо пассивные устройства, которые принимают солнечный свет и небесный свет от части или от всей небесной полусферы. Светонаправляющий элемент обычно представляет собой трубу, выполненную из светоотражающего металла либо из комплекса призматических элементов. В нем также могут находиться линзы или другие устройства, позволяющие перенаправлять световой пучок. Свет во внутреннюю часть распределяется с помощью выходных устройств. Это обычно диффузоры, в которых используются опаловые или призматические элементы.

Основное внимание в докладе уделяется полым световодам, которые изготавливаются и устанавливаются в огромных количествах во многих странах. Они имеют наибольший коммерческий успех.

Данная статья представляет собой контекстный обзор различных типов систем передачи естественного света в помещения здания.

Компоненты систем полых световодов

Системы, построенные по принципу полых световодов, состоят из светонаправляющей секции, на внешнем конце которой находится некоторое устройство для сбора естественного света, а на ее внутреннем конце размещается средство распределения света во внутренней части помещения.

Типы систем, служащих для приема света

Устройство для собирания света либо располагается на уровне крыши, либо устанавливается на фасад здания. Это могут быть пассивные устройства (например, полые световоды) или «активные» — гелиосистемы с механическим приводом для слежения за перемещением солнца.

Гелиостат следит за солнцем и собирает и концентрирует солнечный свет. Зеркало слежения или линза Френеля, обычно размещенные на крыше, управляются с помощью светочувствительных датчиков, импульсных двигателей и компьютеров для слежения за солнцем. Второе зеркало или линза направляют сконцентрированный пучок солнечного света в передающее свет устройство, в роли которого может выступать световод, атриум или окно верхнего света.

Размер зеркала слежения или линз может быть большой. Согласно проведенным оценкам, чтобы осветить офис 1000 м2 при 500 люкс, полный диаметр зеркала приблизительно должен быть равен 40 м, а для линзы — половина этого значения. Коллекторы такого размера потребовали бы высоких капитальных затрат, дорогостоящего управления, структурных систем и обслуживания. Они также изменили бы внешний вид здания.

Недорогие и менее сложные системы слежения с фонарем верхнего света использовались для освещения одноэтажных зданий в местностях, где обычно преобладает ясное небо. Они используют следящие отражатели, установленные на крыше, для направления света в призматический фонарь верхнего света или некоторое другое устройство, чтобы, где это необходимо, обеспечить распространение света над более низко расположенной плоскостью. Большинство передающих свет систем, используемых в активных коллекторных системах, представляют собой полые зеркальные или полые призматические световоды.

Пассивные системы световодов

Пассивные световоды являются наиболее коммерчески важной формой систем световодов, которая широко используется для бытового освещения. Они еще не стали главным источником естественного света, который приносит пользу для окружающей среды, для функционального или рабочего освещения в коммерческих, промышленных или складских зданиях, несмотря на их потенциал в деле замены электрического освещения.

Когда дневной свет падает на свободную горизонтальную поверхность из полного небесного полушария, свет различных направлений попадает на собирающую площадку в количестве, пропорциональном площади, равной проекции этой площадки на направления падающих лучей. Вклад каждого луча в фактически собранное суммарное излучение зависит от доли «видимого» неба, т.е. от косинуса угла падения на собирающую площадку (зависит от ее конструкции и геометрии) и ориентации этой площадки. Если телесный угол приема охватывает полную полусферу, весь свет попадет на приемную площадку, но если телесный угол приема будет находиться в пределах конуса с углом раскрытия, равным 120°, обращенного в сторону зенита, тогда будет собрано приблизительно 82% света, поступающего из пасмурного неба, в терминологии CIE. Если поверхность наклонена на 30° к вертикали по азимуту, связанному с направлением прямо на солнце, то это значение уменьшится до 73%. Чтобы осветить 1000 м2 офиса, обеспечив ранее упомянутую освещенность в 500 люкс, потребовался бы пассивный коллектор с площадью приблизительно в 50 м2, предполагая достижение типичных значений эффективности системы, и 20 000 люкс внешней освещенности.

Пассивные полые световоды состоят из вертикально расположенной передающей свет секции, в верхнем конце которой находится некоторое устройство для захвата естественного света, обеспечивающее также предотвращение попадания в него ветра и дождя. На его нижнем конце размещены диффузоры (устройства для распределения света во внутренней части помещения).

Верхний конец световода может быть расположен горизонтально или наклонен под некоторым углом к оси трубы и состоит из купола, изготовленного из чистого поликарбоната, в который может быть включено преломляющее устройство, предназначенное для перенаправления света в близком к оси направлении. Модификации основных систем включают отклоняющие панели, вырезанные лазером, предназначенные для перенаправления света в осевом направлении, и рефлекторы, известные под названием «световые совки», размещенные вне или внутри купола коллектора и обеспечивающие перехват прямого солнечного света. Последние позволяют обеспечить увеличение мощности светового потока трубы до двух раз, когда на ясном небе светит солнце. Но их использование также приводит к снижению мощности в условиях пасмурной погоды. Наклонное расположение отверстия проявляет подобный эффект «световых совков».

Призматические элементы не нашли широкого применения в пассивных световодах, потому что они принимают свет только в ограниченных пределах значений углов. Хотя высокие значения передачи могут быть получены за счет полного внутреннего отражения света для некоторых направлений падения, для других же направлений эти значения передачи могут быть очень небольшими.

Призматические элементы используются по нескольким причинам. Во-первых, хотя они принимают свет только из узкого диапазона углов падения, дневной свет, входящий в световод под малыми углами к его оси, испытывает меньшие потери, потому что он подвергается меньшему количеству отражений. Во-вторых, дневной свет, падающий вдоль зенитального направления, по-видимому, исходит из относительно более яркой части неба. В-третьих, здания обычно затеняются, а это, прежде всего, означает то, что на практике немного горизонтального света достигает коллектора.

Горизонтальные направляющие системы

Горизонтальная направляющая система естественного света монтируется в подвесной потолок. Ее собирающее свет устройство является частью фасада здания, а выходной конец размещается глубоко в помещении. Системы обычно разрабатываются для использования в сочетании с обычным низкорасположенным окном. Коллектор света обычно размещается на фасаде, который сориентирован на экватор. Он состоит из сферического зеркала или некоторых других средств, которые отклоняют солнечный свет в трубу, по ходу которой размещен высокоотражающий элемент. Ограничивающие размеры трубы определяются пространством, доступным в зоне подвесного потолка. Большая часть применений этой технологии относится к служебным зданиям. Горизонтальные световые трубы могут использоваться как в высокоширотных регионах, где обычно высота солнца позволяет прямое солнечное проникновение в трубу с минимальными отражениями, так и в экваториальных регионах, где солнечная радиация, падающая под большим углом, может быть перенаправлена в трубу зеркалом, вырезанной лазером панелью или другим устройством.

Методы передачи света

Передача света осуществляется по полым световодам. При этом используются и другие элементы системы естественного света. Элементы, передающие поток света, доставляют свет от коллектора к месту выхода, но некоторые из них могут дополнительно выполнять функции выходных компонентов. В последнее время значительные усилия исследователей были направлены на системы передачи, в которых значимым фактором является доступность новых дешевых элементов, позволяющих перенаправление света. В порядке очередности были исследованы четыре различных метода передачи света, а именно, системы пучок/линза, полые зеркальные световоды, полые призматические световоды и системы с твердотельным сердечником.

Системы пучок / линза

В этих системах свет от источника собирается и коллимируется гелиостатом и передается через упорядоченную систему линз и зеркал. С оптической точки зрения, в наличии физического «световода» между линзами нет необходимости. Однако, практически, он может быть полезным, чтобы обеспечить защиту. Периодичность линз определяется их фокусным расстоянием. Эти системы имеют два недостатка, которые ограничивают их практическое применение. Во-первых, оборудование для перенаправления света, как правило, стоит дороже по сравнению с другими методами. Во-вторых, уровни потерь в процессе передачи света высоки. Чистая линза может передать максимум 92% падающего света. С осаждением грязи на поверхностях потери увеличиваются. Эффективность работы также зависит от точности юстировки так, что в системах, состоящих из нескольких компонентов, потери из-за разъюстировки* будут значительными.

В здании университета штата Миннесота, например, используются гелиостаты, смонтированные на крыше, которые «захватывают» солнечный свет. Пучок света, проходящий через здание по вертикальной трубе, содержащей линзы и зеркала, подается к рабочему пространству, находящемуся под землей на глубине 35 м. Общее количество отражений, равное 13, обеспечивает в чистом состоянии максимальную системную эффективность в 28%. Главное преимущество этого подхода состоит в том, что сконцентрированный солнечный свет позволяет применение труб меньшего размера по сравнению с другими методами передачи, такими как полые световоды, содержащие зеркала и обеспечивающие тот же самый поток света. Однако высокая стоимость и издержки на техническое обслуживание и текущий ремонт вместе с низкой эффективностью свидетельствуют о том, что по сравнению с другими методами передачи света эти методы были бы почти наверняка экономически невыгодными.

При использовании этого метода в процессе передачи солнечный свет концентрируется. В результате общая площадь трубы становится меньше, чем при использовании других методов, способных поставить тот же самый поток света. Принимая во внимание все вышесказанное, можно сделать вывод о том, что, хотя система пучок / линза может быть внешне привлекательна при использовании «свободного» солнечного света в качестве источника, однако высокий уровень возможных потерь указывает на ее экономическую неэффективность, особенно когда в качестве источника используется окно на крыше.

Полые зеркальные световоды

В этих световодах для передачи света используется многократное зеркальное отражение от поверхности внутренней стенки. Суммарный коэффициент передачи света является функцией поверхностного коэффициента отражения, распределения интенсивности света, поступающего в систему, и пропорций трубы — отношения длины к диаметру. Если длина пути света велика по сравнению с осевой длиной световода, то число отражений будет большим. Таким образом, потери света в значительной степени зависят от коэффициента отражения материала стенки. Чтобы минимизировать число отражений, пучок света должен войти в световод в направлении, близком к его оси. Отношение длины к эффективному диаметру зависит не только от площади и геометрической формы световода, но также и от угловой расходимости пучка света источника. Коэффициент пропускания световода сильно зависит от коэффициента отражения зеркального материала. Так, его изменение всего на 0,1% приводит к значимым изменениям его эксплуатационных характеристик. Кроме того, передача света по зеркальному световоду может вызвать большие изменения его спектрального состава. Так, в покрытых серебром световодах происходит смещение спектрального состава в «красную» область спектра, а при использовании в качестве отражающего покрытия алюминия происходит смещение в «синюю» область спектра. В зеркальных световодах, содержащих изгибы, коэффициент пропускания световодов снижается и существенно зависит от степени их изгиба.

В результате недавних разработок были получены отражающие материалы, основанные на применении многослойных полимерных оптических стеков, зеркальный коэффициент отражения которых равен приблизительно 99%. Из многослойного тонкопленочного покрытия, изготовленного из прозрачного диэлектрического материала, формируют резонансный интерференционный стек. Он обеспечивает высокий коэффициент отражения для широкого диапазона падающих углов. Доступность этих материалов позволяет значительно увеличить расстояния, на которых передача света становится экономически выгодной.

Вышеупомянутые элементы для передачи света представляют собой жесткие конструкции. Разработаны гибкие элементы для передачи света. Они изготовлены из металлизированной полиэстеровой пленки, покрытой алюминиевой фольгой. Эта фольга натянута на каркас из пружинной стали. Пока зеркальный коэффициент отражения выстилающего материала составляет приблизительно 90%. Однако нерегулярная внутренняя поверхность световода означает, что эффективный коэффициент отражения меньше, чем 90%.

Александр Кузнецов, руководитель проекта Solarspot компании «Проектное бюро “Центр экологических инициатив”»

Полые трубчатые световоды – коммерчески наиболее успешная разновидность устройств, проводящих естественный свет внутрь затемненных (заглубленных) помещений. Более полутора миллиона таких устройств уже установлено в мире, их производство ежегодно удваивается, продолжается поиск путей повышения эффективности и технологичности световодных систем. Главные преимущества световодов естественного света очевидны:

1. Экономия электроэнергии, соответствие целям принятых и повсеместно принимаемых программ энергосбережения.

2. Экологичность, снижение выбросов СО2.

3. Перенос светового потока без промежуточного преобразования в другие виды энергии и заметных потерь (в отличие от солнечных батарей, ветряков и т.п.).

4. Отсутствие необходимости в постоянном обслуживании.

5. Длительный срок службы.

6. Легкое интегрирование в структуры существующих и новых строений, применимость в зданиях самого различного назначения.

7. Возможность комбинирования с энергосберегающими установками искусственного света.

8. Исключение теплопотерь в зимнее время и перегрева помещений летом.

9. Визуальный комфорт, обеспечиваемый в освещаемых помещениях за счет немигающего, ровного светового потока с естественным спектром.

10. Польза для физического и психологического состояния человека.

11. Снижение утомляемости, брака и ошибок на производстве.

12. Повышение продаж в торговых залах в зонах, освещенных дневным светом, и много другое.

Правда, когда мы говорим об этих преимуществах, то имеем в виду развитые страны, где понимание этих процессов давно уже стало частью общественного сознания. В нашей стране световоды пока не получили ни должного внимания, ни распространения, на которые надеются дистрибьюторы известных зарубежных марок.

Причин тому несколько:

1. Дешевая (пока) электроэнергия.

2. Меньшее количество солнечных дней, во всяком случае, в средней полосе России.

3. Более суровый климат.

4. Непонимание преимуществ и недооценка перспективности новой технологии людьми, которые в состоянии приобрести и установить световоды (коммерческий сектор), а также чиновниками, уполномоченными принимать решения о более широком применении световодных систем в бюджетных, ведомственных и муниципальных учреждениях (детские сады, школы, госпитали, библиотеки, музеи, спортивные залы и стадионы и т.п.).

5. Недостаток публикаций о световодах в СМИ.

6. Относительно высокая стоимость самих световодов и услуг по их установке.

Конечно, всему свое время, – несколько лет назад идея покупать питьевую воду в магазине тоже казалась абсурдной…

Полые призматические световоды

Эти световоды представляют собой структуры, в которых свет испытывает полное внутреннее отражение от поверхностей диэлектрической призмы, которая захватывает свет и перенаправляет его вниз внутрь световода. Падающий свет дважды испытывает полное внутреннее отражение от поверхностей призмы, и для некоторых углов падения она действует подобно зеркалу. Однако в отличие от зеркала призматическая структура прозрачна для света при внеосевых углах падения. Существование призматических световодов обязано разработкам надежных методов изготовления точных структурированных поверхностей, выполненных в течение прошлых двух десятилетий. Специфический практический интерес к проблеме освещения привел к появлению ряда оптических акриловых или поликарбонатных элементов с 90-градусной призматической гребенчатой структурой на их внешней поверхности. Эти элементы при согласованном расположении световода и призм, ориентированных параллельно оси, передают свет, используя явление полного внутреннего отражения, при условии, что угол падения света не превышает 27,5°. Теоретически при использовании этого явления весь падающий свет должен быть полностью отражен. Однако дефекты пленки приводят к тому, что незначительная доля света распространяется под углами, превышающими максимальный угол, а поэтому выходит из световода. В результате полный коэффициент отражения снижается до 98%. Этот эффект может приводить световод к свечению. По этой причине призматический световод может использоваться в качестве устройства как для передачи, так и вывода света.

Твердотельные системы

Основными практическими примерами твердотельных систем могут служить оптические волокна, которые передают свет по тонким гибким твердым волокнам с высокой эффективностью за счет полного внутреннего отражения от диэлектрической поверхности раздела. Оптические волокна состоят из двух коаксиальных областей: внутренний сердечник служит в качестве среды для передачи света, а внешняя оболочка с более низким коэффициентом преломления предотвращает утечку света из сердечника. Процесс полного внутреннего отражения в оптическом волокне очень эффективен. При этом передача света, по существу, является функцией длины, а не диаметра, как это имеет место в случае зеркальной или призматической системы передачи.

Некоторая часть света теряется из-за его поглощения и рассеивания. Потери зависят от длины волны. А это означает, что спектральный состав передаваемого света может изменяться. Типичные значения ослабления изменяются от 0,1 до 0,4 дБ/км для пластмассы и от 0,2 до 0,6 дБ/км для стекловолокон. Оптические волокна имеют индивидуальный диаметр, который изменяется приблизительно от 50 до 150 мкм. Их большое число обычно группируются, и вместе они образуют гибкий пучок волокон, снаружи заключенный в защитную оболочку. Диаметр поперечного сечения пучка волокон изменяется в зависимости от числа волокон, но коммерчески доступные типичные образцы, пригодные для целей передачи света, имеют диаметр, приблизительно равный 10 мм. Основное предназначение оптических волокон состоит в обеспечении передачи света от его источника до приемника, расположенного на конце такого световода. На входном конце волокна угловая расходимость пучка света не должна превышать заданного угла приема, что связано с обеспечением минимума потерь, возникающих при преломлении света в оболочке.

Волоконно-оптическую передачу можно использовать в качестве части систем, которые собирают солнечное излучение с помощью гелиостатов и концентраторов с тем, чтобы сфокусировать свет на концы оптического волокна. Таким образом, солнечный свет может быть передан на много десятков метров от коллектора. Главные преимущества состоят в относительной легкости установки оптического волокна и отсутствии потребности в больших вертикальных трубах.

Другим вариантом волоконно-оптической системы дневного света является использование в качестве светонесущей среды материала оптического стержня, изготовленного из акрила или другого непоглощающего свет материала. Эта система также использует полное внутреннее отражение. Она, вместе с малыми потерями передачи света, предоставляет дополнительную выгоду, связанную со снижением требований к точности слежения за солнцем.

Виктория Удут, ассистент отдела экспорта компании Lightway s.r.o.

Световоды в последнее время стали популярным решением проблемы транспортировки естественного света в помещения. Ежегодно в мире производится и устанавливается около 800 000 комплектов световодов. Световод является источником возобновляемой энергии, который сделает светлее помещения без окон, превратит темную комнату в залитую солнцем, снизит расходы на электроэнергию и улучшит настроение людям. Световоды сейчас популярны не только в жилых домах, но и на общественных, промышленных и коммерческих объектах (в том числе — аэропорты, подземные гаражи и т.д.). В странах Европейского союза активно разрабатываются государственные программы поддержки применения световодов. Например, во Франции рассматривается вопрос включения световодов в список продуктов с использованием возобновляемых источников энергии, а также вопрос возможной поддержки приобретения и установки световодов со стороны ЕС. Световоды Lightway производятся в Чехии уже более 10 лет, и за это время они приобрели большую популярность в Европе. В прошлом году наша компания приняла участие на ярмарке MosBuild с целью найти надежного партнера в России. Мы столкнулись с большим интересом со стороны инвесторов, которые рассматривают возможность использования световодов Lightway в своих проектах. Мы надеемся, что эта прогрессивная технология получит широкое распространение и в России.

Дискретные выходные компоненты

Имеются несколько типов коммерчески доступных дискретных выходных компонентов, которые позволяют распределять свет, поступающий на конце световода. Обычно они выполнены в виде кругового выступа или куполообразного диффузора и изготовляются из опала или призматического материала диаметрами, соответствующими диаметрам самих световодов. Одна из альтернатив – 600-миллиметровые квадратные компоненты, приспособленные к системам подвесных потолков в коммерческих зданиях. Они подсоединены к 500-миллиметровым зеркальным световодам через переходную коробку, и свет распределен в пределах внутренней части здания или диффузором, или матрицей линз Френеля.

Редакция журнала «Кровли» благодарит ООО «Проектное бюро “Центр экологических инициатив”» за предоставленную информацию