Системы солнечного освещения в строительстве и архитектуре как фактор оптимизации рабочей и учебной среды

В условиях активной урбанизации, быстрой застройки городов остро встает проблема организации комфортной среды для человека. Одним из факторов этого процесса является естественное освещение, которое создаёт благоприятную гигиеническую и визуальную обстановку, что особенно важно на рабочих и учебных местах. Компактные планировочные решения, особенно характерные для нашей страны в силу холодного климата, часто подразумевают, что часть помещений отрезана от солнечного освещения через окна. В таком случае оптимальным решением является установка так называемых световых колодцев, или туннельных фонарей, или световодов. «Световые фонари – строительные элементы здания, который предназначенный для освещения помещений солнечными лучами и снижения зависимости от искусственного освещения» [2]. В контексте средового подхода, являющегося наиболее продвинутым из методов проектирования на данный момент, необходим комплексный анализ среды и минимальное вмешательство в природу. В некотором роде, средовой подход, не нарушая средовых процессов (экологических, культурных, экономических, транспортных, пешеходных и т.д.) делает человека ближе к естественной среде.

Различные производители (ALLUX, VELUX, Fakro, Solarspot и пр.) предлагают свои запатентованные технологии, расширяющие данную схему какими-либо покрытиями либо дополнительным оборудованием, однако данная схема (см. Рисунок) отражает основной принцип работы светового тоннеля.

На крыше здания (возможна установка и в стене) устанавливается светоулавливащий купол (1), представляющий собой линзу, перенаправляющую лучи света ниже, в состав купола входит так же специальная светоотражающая пластина (2), предназначенная для улавливания низко падающих солнечных лучей – в вечернее и утреннее время суток и зимой. Купол направляет лучи через собственно световой тоннель – внутреннее покрытие имеет исключительные отражающие свойства и переносит свет на рассеиватель (4), который, кроме равномерной передачи света, фильтрует ультрафиолетовое излучение. Одного такого светового тоннеля достаточно для освещения помещения до 9 кв.м.

Рисунок 1. Принципиальная схема устройства световода (по материалам официального сайта компании «Умный дом» http://770044.ru)

Данная технология передачи естественного света имеет ряд достоинств и недостатков применимо к условиям нашей страны. Рассмотрим достоинства технологии:

1.  Обеспечивает естественным светом помещения, находящиеся в центре здания и окруженные другими помещениями со всех сторон – то есть отрезанные от возможного источника солнечного света в виде окон. Это даёт новые возможности в планировке учебных и производственных помещений, поскольку «помещения с постоянным пребыванием людей должны иметь, как правило, естественное освещение» [3, с. 2];

2.  Снижает затраты на освещение помещений в дневное время;

3.  Не оказывает влияния на микроклимат помещения (по сравнению с окнами, которые в зимнее время способствуют большим теплопотерям, а в летнее время – проводят лишнее тепло);

4.  Обеспечивает оптимальную гигиену помещения;

5.  Срок службы, сравнимый со сроком службы здания;

6.  Быстрая самоокупаемость за счёт сбережения электроэнергии и снижения теплопотерь (по сравнению с окнами);

7.  Повышение автономности здания – независимости его от центральной сети электроснабжения, кроме того, «полезно связать снижение потребления электроэнергии с выбросом вредных загрязняющих веществ в атмосферу» [1];

8.  Практически полное отсутствие обслуживания в процессе эксплуатации.

В то же время система обнаруживает следующие недостатки:

1.  Достаточно высокую стоимость монтажа – в связи с этим система не обрела достаточной популярности, несмотря на быструю самоокупаемость;

2.  Определенные ограничения в расположении, связанные с особенностью технологии: «на каждом изгибе потери составляют 10…40%; на каждом метре трубы потери составляют 20 … 40%» [2];

3.  Сравнительно невысокая эффективность в условиях короткого светового дня (данный недостаток компенсируется установкой автоматики и светодиодного круга, который без участия человека включается всякий раз, когда освещенность падает ниже необходимого уровня);

4.  Опасность засыпания светового купола снегом.

Несмотря на специфику расположения и другие недостатки, технология эффективна и быстро окупается, и может быть применима в зданиях дошкольного обучения, школ, высших учебных заведений и обширных производств, планировочные решения которых не позволяют установить окон в помещениях, где постоянно находятся люди. Кроме того, подобные системы рекомендуются для установки на «сельскохозяйственных предприятиях, спортивных комплексах и бизнес-центрах» [4].

Актуальность темы связана с ростом внимания передовых проектных бюро за рубежом и в нашей стране к технологиям возведения «зеленых» зданий, нейтральных с точки зрения энергопотребления. С этим напрямую связаны технологии экономии электрической энергии – установка солнечных батарей, а также указанных ССО (систем солнечного освещения). Массовая установка подобных конструкций должна начинаться с крупных зданий торговых и бизнес-центров, производств и спорткомплексов, чтобы на фоне положительного эффекта масштаба удорожания строительства было незначительным. Это позволит решить основную проблему внедрения данной технологии в массовое строительство – отсутствие обширного рынка материалов, и сделает данную технологию доступнее. Другой существенный барьер – отсутствие квалифицированных кадров, способных включить в проект и реализовать на практике технологии ССО. Эта проблема имеет очевидное решение – включение в программы подготовки специалистов высшего и среднего образования модулей, связанных с проектированием экологически нейтральных зданий, комплексным анализом и проектированием среды. Таким образом, ССО имеют высокую социальную значимость и экологическую эффективность. Подобные технологии становятся еще актуальнее в свете роста цен на энергетические ресурсы, введения новых экологических требований (за рубежом это системы сертификации зданий по экологическим стандартам LEED, BREEAM, а также ряд национальных систем; в России это ГОСТ Р 54964-2012 «Оценка соответствия. Экологические требования к объектам недвижимости»).