Системы естественного освещения
Николай Шилкин
Но, пожалуй, больший потенциал – в естественном освещении, варианты организации которого на данный момент достаточно обширны.
Несмотря на множество преимуществ естественного освещения, в мировой практике найдется немного примеров зданий, в которых такая система являлась бы одной из ключевых особенностей проекта. Яркие исключения, к примеру, здание Commerzbank в Германии или «Стеклянный дом» в Дании.
Проведенные в разных странах исследования показали положительное влияние солнечного света на здоровье человека и его работоспособность. Люди, находящиеся в здании, обычно предпочитают использовать естественное освещение при достаточной освещенности пространства, отсутствии резкого или очень яркого света, а также при защите помещений от перегрева.
Помимо этого, естественное освещение – это эффективный энергосберегающий инструмент. Следует понимать, что его применение не приводит непосредственно к энергосбережению. Снижение затрат энергии происходит за счет уменьшения использования искусственного освещения. По оценке западных специалистов, в некоторых случаях такое снижение может достигать 70 %. Несмотря на то что отдельные элементы системы естественного освещения, такие как автоматические шторы-жалюзи, и требуют энергии для своей работы, их энергозатраты очень малы по сравнению с потенциальной экономией электрической энергии.
Проектировать систему естественного освещения желательно во вновь возводимых зданиях, поскольку при реконструкции это обычно приводит к значительным капитальным затратам (в этих зданиях гораздо больший экономический эффект могут дать такие мероприятия, направленные на организацию энергоэффективного искусственного освещения, как, например, установка энергосберегающих ламп, автоматическое отключение освещения, автоматическая регулировка освещенности и т. д.).
Приняв решение об устройстве в здании системы естественного освещения, необходимо учитывать и сопутствующие недостатки. Один из самых существенных состоит в том, что интенсивность естественного освещения может значительно меняться в зависимости от времени года, времени суток и погодных условий, причем эти изменения носят случайный характер. В связи с этим обстоятельством в здании с преимущественным естественным освещением предусматривается и искусственное, обеспечивающее необходимую освещенность обслуживаемых помещений в пасмурные дни и после наступления темноты.
| ЭЛЕМЕНТЫ СИСТЕМЫ ЕСТЕСТВЕННОГО ОСВЕЩЕНИЯ |
|
На возможность использования только естественного освещения в течение всего светлого времени суток или необходимость дополнительного искусственного освещения влияют и другие факторы: климатические особенности района строительства, ориентация помещений относительно сторон света, глубина помещений, размеры светопроемов, внешние препятствия и т. д.
Поскольку применение в зданиях преимущественно естественного освещения предполагает наличие большой площади светопрозрачных ограждений, существует риски больших теплопотерь через конструкции в зимний период и перегрева помещений под действием теплоты солнечной радиации в летнее время. Однако сейчас в строительстве широко распространены окна с теплозащитными характеристиками, сравнимыми с теплозащитными характеристиками стен, и специальным покрытием, снижающим риск перегрева, но пропускающим свет видимого диапазона. Такие окна открывают новые возможности использования в зданиях преимущественно естественного освещения (см., например, статьи Ю. А. Табунщикова «Неизученные возможности окон» и «Окно как элемент здания высоких технологий»).
Организовать естественное освещение возможно различными способами. Некоторые из вариантов рассмотрены в статье далее.
Традиционные вертикальные окна, получившие наибольшее распространение, позволяют обеспечить естественное освещение самым простым способом, но их эффективность ниже, чем, например, у зенитных фонарей. Вертикальные окна более эффективны для естественного освещения вертикальных поверхностей, противостоящих окнам. В большинстве случаев окна площадью примерно 20 % от площади помещения обеспечивают достаточное освещение в глубине этого пространства на расстоянии от окон, в 1,5–2,5 раза превышающем высоту данного помещения. Части помещения, расположенные дальше этого расстояния, требуют дополнительного искусственного освещения.
Использование естественного освещения посредством вертикальных окон больше зависит от геометрической формы и размеров помещения, чем, например, применение остекленных участков кровли.
Маленькие помещения, наибольшая часть пространства которых расположена близко к окнам, будут освещены естественным образом лучше всего, в то время как освещенность в глубине узкого длинного помещения с окном на короткой стороне будет недостаточна.
Увеличение площади окон позволяет повысить общую освещенность помещения, однако при этом возрастает неравномерность освещенности разных частей помещения. Для выравнивания яркости в этом случае требуется искусственное освещение, что уменьшает энергетическую эффективность проекта.
| ДИАПАЗОНЫ ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ (ISO 20473:2007) | |||
| Наименование | Англоязычный эквивалент |
Аббревиатура | Длина волны, мкм |
| Ближний инфракрасный диапазон |
Near Infrared | NIR | 0,78–3,00 |
| Средний инфракрасный диапазон |
Mid Infrared | MIR | 3–50 |
| Дальний инфракрасный диапазон |
Far Infrared | FIR | 50–1 000 |
Увеличенная площадь остекления, как правило, повышает нагрузку на систему климатизации здания. Возможен ряд мероприятий, позволяющих уменьшить это влияние. Одно из них состоит в использовании в конструкции окон остекления, уменьшающего теплопотери или теплопоступления примерно на 60–80 %. Окна с нанесенным на них зеркальным отражающим покрытием широко распространены в коммерческих зданиях. Такие окна задерживают теплоту солнечной радиации (в ближнем инфракрасном диапазоне – в соответствии со стандартом ISO 20473:2007 диапазон инфракрасного излучения подразделяется на три более мелких диапазона (см. таблицу ниже)), но не мешают поступлению света в видимом диапазоне. Специальные покрытия, цветные стекла, заполнение стеклопакетов инертным газом – все эти методы позволяют снизить теплопроводность, конвекцию и излучение через заполнения светопроемов.
Солнцезащитные устройства дают возможность использовать преимущества естественного освещения без существенной нагрузки на систему климатизации здания в летнее время. Наиболее эффективную защиту от перегрева обеспечивают солнцезащитные элементы, расположенные снаружи. Внутренние солнцезащитные элементы ограждают людей, находящихся в помещении, от прямых солнечных лучей и яркого света. Поскольку теплопоступления от солнечной радиации в этом случае могут приводить к перегреву, необходимо обеспечить ассимиляцию теплоизбытков посредством вентиляции или системы кондиционирования воздуха.
Одним из недостатков внешних солнцезащитных элементов в ряде случаев является необходимость их регулярной очистки, т. к. на внешних горизонтальных поверхностях может скапливаться значительное количество пыли. Одним из наиболее популярных способов решения этой проблемы является использование штор-жалюзи, интегрированных в окна.
При нанесении на вогнутую сторону отдельных элементов горизонтальных штор-жалюзи зеркального светоотражающего покрытия и установке их вогнутой стороной вверх солнечный свет может направлятьсяв верхнюю часть помещения.
Атриум представляет собой внутренний дворик со стеклянной кровлей. Пространство внутри атриума обычно используется как вестибюль или место отдыха. Стеклянная кровля обеспечивает естественное освещение самого атриума, а также непосредственно примыкающих к нему помещений. Такое решение часто применяют для организации естественного освещения в зданиях торговых центров, музеев, гостиниц.
Застекленные переходы подобны атриумам, но более протяженны. Они могут соединять части здания или группу зданий.
В высотном здании Commerzbank (архитектор Норман Фостер, 1997) используются главным образом естественное освещение и естественная вентиляция.
Из каждого офиса или части здания открывается вид на город. Спирально по всему зданию расположены зимние сады высотой в четыре этажа – они улучшают микроклимат и создают совершенно иную рабочую обстановку.
Центральная часть здания занята огромным треугольным атриумом, проходящим по всей высоте здания. Он является каналом естественной вентиляции для смежных с ним офисных помещений здания, в которых также обеспечивается естественное освещение. Норман Фостер называет центральный атриум «стеблем», а офисные этажи, расположенные вокруг атриума с трех сторон, – «лепестками».
Естественное освещение. Использование естественного освещения значительно снижает эксплуатационные затраты и, кроме этого, улучшает психологический комфорт находящихся в здании людей.
Прозрачность здания и стеклянные перегородки между офисными помещениями и коридорами позволяют достичь высокого уровня освещенности дневным светом на всех рабочих местах.
На каждом уровне одна из треугольных секций здания является открытой и составляет часть зимнего сада. Такая конструкция позволяет каждому офису либо иметь вид на город, либо – на атриум и сад.
Зимние сады дают возможность свету проникать к внутренним стенам каждого крыла. Эти сады обеспечивают «природный вид» для сотрудников офисов и вместе с атриумом участвуют в организации естественной системы вентиляции для всего здания.
Климатизация. В здании применяется комбинация естественной и механической вентиляции и не используется традиционная система кондиционирования воздуха. Все механические системы и окна управляются интеллектуальной системой, которая обеспечивает оптимальный режим работы вентиляции, отопления и охлаждения, а также позволяет сотрудникам индивидуально регулировать параметры микроклимата непосредственно в рабочей зоне.
Светопрозрачные ограждения офисов здания сделаны двухслойными. Внешняя оболочка (первый слой) имеет щелевые отверстия, через которые наружный воздух проникает в полости между слоями. Окна, в том числе и те, которые расположены на верхних этажах, могут быть открыты, что обеспечивает естественную вентиляцию непосредственно до уровня 50‑го этажа. Окна, выходящие в атриум, также могут быть открыты.
Снижение затрат энергии на отопление здания достигается использованием теплозащитного остекления с коэффициентом теплопередачи приблизительно 1,4–1,6 Вт/(м2•°C). Этому также способствуют и зимние сады, являющиеся дополнительным источником теплопоступлений за счет аккумулирования теплоты солнечной радиации.
Снижение затрат энергии на охлаждение здания достигается путем использования герметичных двойных стеклопакетов, заполненных инертным газом и отражающих инфракрасное излучение. Такие стеклопакеты используются в зимних садах, а также в стенах, несущих малую нагрузку, по периметру офисных помещений.
При этом солнцезащитные устройства устанавливаются между стеклопакетом и внешней светопрозрачной оболочкой здания.
Зенитные фонари обеспечивают естественное освещение помещений через остекленные проемы в кровле здания. Посредством горизонтального зенитного фонаря в помещение поступает примерно в три раза больше дневного света, чем через вертикальное окно такого же размера. Поскольку зенитные фонари могут быть расположены в плане ближе к центральной части помещения, они создают равномерное освещение по всей площади.
Естественное освещение через зенитные фонари хорошо сочетается с искусственным освещением. Если при этом использовать автоматические приборы управления, то получается существенно снизить затраты электрической энергии. Однако зенитные фонари сильно повышают риск перегрева, поэтому необходимо также использовать различные солнцезащитные устройства.
Призматические, или угловые, зенитные фонари, в отличие от плоских, способны не только пропускать, но и перенаправлять свет. Они могут быть разработаны таким образом, что в летнее время, когда солнце находится высоко над горизонтом, его лучи будут частично отражаться, а в зимнее время, когда потребность в освещении выше, лучи солнца, расположенного низко над горизонтом, будут направляться в обслуживаемое помещение.
Это же справедливо и для различного времени суток: в утренние и вечерние часы солнечные лучи перенаправляются в здание, а ближе к полудню солнце поднимается выше и его лучи отражаются, чем снижается риск перегрева.
Летом горизонтальные зенитные фонари пропускают больше света и теплоты, чем зимой. Поэтому предпочтительны вертикальные или полувертикальные фонари (так называемые ленточные окна, расположенные выше уровня головы, и светоаэрационные фонари).
При разработке этих устройств учтен зенитный угол солнца. С помощью них можно регулировать количество дневного света и зимой и летом. В теплое время года окна создают препятствие прямым солнечным лучам, а в холодное – пропускают солнечный свет и отражают его внутрь.
Световая полка представляет собой горизонтальный отражатель, который изменяет направление солнечных лучей.
Свет проникает в помещение не напрямую, а зигзагообразно, сначала отражаясь от полки и затем об потолок, что приводит к более равномерному освещению помещения.
Основным преимуществом этого решения является наибольший тепловой комфорт, который особенно ощущается в летнее время.
Конструкция световой полки не должна исключать теплопоступления и в зимний период.
Световой колодец (световая шахта, канал) может передавать дневной свет в самые отдаленные уголки здания, исключая при этом ненужные теплопоступления. Это одно из главных его преимуществ.
Световой колодец отличается более сложной конструкцией по сравнению с другими системами естественного освещения. Дневной свет поступает в помещение благодаря гелиостатам. Эти устройства позволяют собирать солнечный свет на зеркалах или линзах, расположенных в трубе, и направлять свет к необходимому помещению. Как правило, внутренняя сторона трубы облицована металлом, позволяющим проводить свет без значительных потерь.
Ни одна система естественного освещения не обеспечит необходимую экономию энергии, если она не сопряжена с системой управления, регулирующей и снижающей потребность в искусственном освещении.
Когда возникает необходимость, система управления подключает в работу систему искусственного освещения, тем самым поддерживая комфортный для людей уровень освещенности помещения. Желательно, чтобы датчики дневного света располагались в различных точках помещения и автоматически регулировали степень искусственного освещения. В офисных зданиях такой комбинированный способ освещения позволяет снизить потребность в электроэнергии на 30–70 %. Как показали испытания, затемнение не оказывает существенного влияния на срок службы и световой поток люминесцентных ламп.
Применение отражающих поверхностей, главным образом потолков, в освещенных помещениях может существенно повысить проникновение дневного света во внутреннее пространство, тем самым уменьшив нагрузку на систему искусственного освещения. В некоторых случаях площадь освещения дневным светом в два раза превышает стандартные показатели. Для усиления эффекта отражающие потолки рекомендуется использовать в комбинации с другими системами естественного освещения, например, световыми полками.
Особый интерес с точки зрения возможностей естественного освещения представляют здания с большой площадью светопрозрачных ограждающих конструкций или полностью стеклянные. Главной проблемой при строительстве таких зданий является риск неприемлемо высоких температур в помещениях в летнее время. В последние годы в связи с появлением новых светопрозрачных ограждающих конструкций с повышенными теплозащитными характеристиками число таких зданий непрерывно растет.
Много внимания стеклянным зданиям уделяется, например, в Финляндии. Примером такого подхода является информационный центр KORONA в поселке Виикки, университетском районе Хельсинки. В этом здании располагаются Научная библиотека Хельсинского университета и филиал библиотеки Хельсинки, а также администрация факультетов и другие вспомогательные университетские службы, помещения для преподавания и проведения лекций. Здание информационного центра имеет двойную стену, причем внешний слой выполнен из светопрозрачных элементов. В пространстве между стенами располагаются сады. Воздух для системы кондиционирования воздуха забирается из разных зон этого пространства в зависимости от требований параметров приточного воздуха в разное время суток и в разное время года.
Строительство полностью стеклянных зданий, безусловно, требует индивидуального подхода, однако этот опыт может оказаться полезным при проектировании и эксплуатации энергоэффективных зданий в регионах с холодным климатом.
Экспериментальный двухэтажный жилой дом общей площадью 205 м2 (архитектурное бюро Lundgaard & Tranberg, 1996) представляет интерес с точки зрения влияния наружных ограждающих конструкций не только на естественную освещенность, но и на энергопотребление и микроклимат в помещениях.
Наружные ограждающие конструкции. Практически целиком выполнены из прозрачного и полупрозрачного с текла с повышенными теплозащитными характеристиками (коэффициент теплопропускания варьируется от 0,4 до 0,8 в зависимости от типа конструкции).
Сопротивление теплопередаче стеклянного фасада составляет в среднем 1,0 м2•°C/Вт. Д ля рассеивания яркого солнечного света используется матовая пленка, нанесенная на участки с прозрачным остеклением. Общая площадь остекления – 216 м2, при этом площади прозрачных и полупрозрачных участков примерно равны.
Коэффициент остекления составляет 95 % для фиксированных прозрачных и полупрозрачных панелей и 45 % для окон. Д ля снижения теплопоступлений от солнечной радиации используются солнцезащитные устройства в виде легких, но плотных тканевых роликовых штор, расположенных на внутренней стороне ограждающих конструкций.
Вентиляция. В здании запроектирована механическая вентиляция (на кухне, в ванной комнате и в туалете), а также естественная (жилые помещения). Приток воздуха при естественной вентиляции осуществляется через три зенитных фонаря, через окна в верхней части здания и дверные проемы с применением системы управления. При превышении в помещениях заданной температуры два зенитных фонаря и половина окон открываются автоматически для естественного проветривания. Жители дома также могут проветривать помещения, открывая окна или наружные двери.
Отопление. Система водяного отопления включает в себя конвекторы и радиаторы.
Полученный опыт. В период эксплуатации «Стеклянного дома» велись измерения потребляемой тепловой энергии, электричества и воды, а также температуры помещений, кратности воздухообмена в помещениях и освещенности помещений.
Фактические затраты тепловой энергии на отопление и горячее водоснабжение, измеренные в отопительный период с сентября 1997 года по апрель 1998 года, оказались выше ожидаемых на 67 % и составили 19 100 кВт•ч. Это произошло из-за расхождений между расчетными и реальными параметрами наружного климата, а также более низкими, чем ожидалось, теплозащитными характеристиками ограждений.
Средние удельные теплопоступления от солнечной радиации через ограждающие конструкции оказались практически равны средним удельным теплопотерям через эти конструкции. Создатели здания подсчитали, что в климатических условиях Дании для фасадов южной, западной и восточной ориентации отношение удельных теплопоступлений от солнечной радиации за отопительный период к удельным теплопотерям через светопрозрачные ограждающие конструкции делает применение таких конструкций более выгодным, чем использование непрозрачных ограждающих конструкций с сопротивлением теплопередаче ниже 3,3 м2•°C/Вт. Значительные теплопотери через ограждающие конструкции северной ориентации частично компенсируются снижением электропотребления на освещение за счет использования естественного освещения.
Эффективность вентиляции и солнцезащиты оценивалась в летний период, когда риск неприемлемо высоких температур в помещениях был особенно велик. В период наблюдений здание не эксплуатировалось и для естественного проветривания применялось только автоматическое открывание окон и зенитных фонарей.
При использовании солнцезащитных устройств средняя температура воздуха в помещении гостиной превышала температуру наружного воздуха на 2,8 °C, а в полдень превышение температуры воздуха доходило до 4,6 °C. Относительно низкая разность температур свидетельствует о высокой эффективности естественной вентиляции через автоматически открываемые окна и зенитные фонари при использовании солнцезащитных устройств.
Субъективная оценка. По отзывам проживавшей здесь в течение одного года семьи, наиболее важным преимуществом дома стала высокая естественная освещенность помещений. Однако, в солнечные летние дни очень яркий свет вызывал дискомфорт, заставляя жителей носить в доме солнечные очки. В пасмурные дни наиболее выгодным оказалось использование полупрозрачных окон. Кроме того, использование вместо светопрозрачных полупрозрачных ограждающих конструкций позволяет повысить чувство защищенности и увеличить психологический комфорт людей, находящихся в здании.
Рассмотренные варианты использования естественного освещения позволяют не только опосредованно снизить потребность здания в электроэнергии, но и создать в нем комфортную среду обитания. Несколько зарубежных исследований, направленных на изучение влияния светопрозрачных элементов здания на здоровье человека и его работоспособность, показали, в частности, высокую эффективность вертикальных окон и зенитных фонарей.
Например, отмечалось, что в больнице Пенсильвании пациенты, размещенные в палатах с красивым видом из окна, выписывались на 10 % быстрее, чем больные из обычных палат. Согласно исследованиям, проведенным в ряде школ в Калифорнии, Вашингтоне и Колорадо, успеваемость учеников стала выше в тех классах, где занятия проходили при высоким уровне естественного освещения. Этот показатель варьировался от 7 до 20 % в зависимости от места и предмета обучения. Еще одно наблюдение касалось зенитных фонарей. В регионах, где они показывали в два-три раза большую эффективность по сравнению с системами искусственного освещения, выявлялось увеличение продаж зенитных фонарей на целых 40 %.
Система естественного освещения должна быть хорошо продумана, чтобы выполнять свои функции максимально полно и избежать сопутствующих проблем, в частности, связанных с перегревом здания. Проектировать систему желательно на самой начальной стадии проекта, чтобы в дальнейшем не понести больших затрат на ее переустройство. Этому во многом способствует тесное сотрудничество между архитектором, инженером и другими участниками строительного процесса.
| ОБ АВТОРЕ |
| Николай Шилкин – канд. техн. наук, доцент МАрхИ. |
Следует понимать, что система естественного освещения не означает полного исключения использования искусственного света. Наибольший эффект достигается при применении автоматизированных систем управления естественным освещением, регулирующих искусственное освещение по потребности.
