Введение
Практика размещения проемов и отражающих поверхностей таким образом, чтобы солнечный свет мог обеспечить внутреннее освещение.
Дневное освещение – это практика размещения окон, световых фонарей, других проемов и отражающих поверхностей таким образом, чтобы прямой или рассеянный солнечный свет мог обеспечить эффективное внутреннее освещение. Особое внимание уделяется дневному освещению при проектировании здания, когда целью является максимальный визуальный комфорт или снижение энергопотребления. Экономия энергии может быть достигнута за счет сокращения использования искусственного (электрического) освещения или пассивного солнечного отопления. Энергопотребление искусственным освещением может быть снижено путем установки меньшего количества электрических светильников в местах, где присутствует дневной свет, или автоматического затемнения или выключения электрических светильников в ответ на наличие дневного света – процесс, известный как сбор дневного света. Количество дневного света, получаемого в помещении, можно проанализировать путем измерения освещенности на сетке или проведения расчета коэффициента дневного света. Компьютерные программы, такие как Radiance, позволяют архитектору или инженеру быстро рассчитать преимущества конкретного проекта. Реакция человеческого глаза на свет нелинейна, поэтому более равномерное распределение одинакового количества света делает комнату визуально ярче. Источником всего дневного света является Солнце. Соотношение прямого и рассеянного света влияет на количество и качество дневного света. "Прямые солнечные лучи" достигают участка, не рассеиваясь в атмосфере Земли. Солнечный свет, рассеянный в атмосфере, называется "рассеянным дневным светом". Солнечный свет, отраженный от стен и земли, также вносит вклад в дневное освещение. Каждый климат имеет различный состав этих типов дневного света и различную облачность, поэтому стратегии дневного освещения варьируются в зависимости от местоположения и климата. На широтах к северу от Тропика Рака и к югу от Тропика Козерога прямой солнечный свет не попадает на полярную стену здания между осенним и весенним равноденствиями (то есть с сентября по март в Северном полушарии и с марта по сентябрь в Южном полушарии). В Северном полушарии северная стена является "полярной стороной", а в Южном полушарии – южная стена. Традиционно дома проектировались с минимальным количеством окон на полярной стороне, но с большим количеством и большей площадью окон на экваториальной стороне (южная стена в Северном полушарии и северная стена в Южном полушарии). Окна экваториальной стороны получают хотя бы некоторое количество прямого солнечного света в любой солнечный день года (за исключением тропиков летом), поэтому они эффективно освещают дневным светом прилегающие к окнам помещения. На более высоких широтах в середине зимы свет сильно направлен и отбрасывает длинные тени. Это можно частично смягчить с помощью диффузии света, световодов или труб, а также частично отражающих внутренних поверхностей. На довольно низких широтах летом окна, ориентированные на восток и запад, а иногда и на ближайший полюс, получают больше солнечного света, чем окна, ориентированные на экватор. (а) размещать окно близко к светлой стене, (б) наклонять боковые стороны оконных проемов так, чтобы внутренний проем был больше внешнего, или (в) использовать широкий светлый подоконник для проецирования света в комнату. Помимо обеспечения проникновения дневного света в здание, окна выполняют другую функцию в практике дневного освещения – обеспечивают вид наружу. Для повышения качества видимого из окна вида необходимо обеспечить три основных параметра: содержание вида (что видно в поле зрения), доступ к виду (какая часть вида видна) и четкость вида (насколько четко виден вид). Четкость вида часто зависит от количества затенения, обеспечиваемого жалюзи или устройствами, используемыми для защиты людей от яркого дневного света (например, от бликов) или в целях визуальной конфиденциальности. Экологические критерии служат важными критериями для оценки качества содержания вида из окна. Эти критерии можно свести к пяти важным факторам: местоположение, время, погода, люди и природа. Примечательно, что виды, предоставляющие обитателям здания возможность видеть природу, значительно превосходят остальные четыре экологических информационных критерия. Различные типы и марки стекла, а также различные оконные покрытия также могут влиять на количество света, проходящего через окна. Тип остекления является важным параметром, выражаемым коэффициентом VT (Visual Transmittance), также известным как светопропускание (VLT). Как следует из названия, этот коэффициент измеряет, сколько видимого света пропускает окно. Низкий VT (ниже 0,4) может уменьшить количество света, попадающего в комнату, вдвое или более. Но следует учитывать и высокое значение VT: высокие значения VT (например, выше 0,60) могут быть причиной бликов. С другой стороны, следует также учитывать нежелательные эффекты больших окон. Оконные проемы переходят в полупрозрачные стены (ниже).
Окна с крышкой
Еще одним важным элементом в создании естественного освещения является использование мансардных окон. Это высокие, вертикально расположенные окна. Они могут использоваться для увеличения прямого солнечного выигрыша при ориентации в сторону экватора. Однако, если мансардные окна и другие окна обращены к солнцу, это может привести к недопустимой засветке. В случае пассивного солнечного дома мансардные окна могут обеспечить прямой световой путь в помещения на противоположной стороне (север в северном полушарии, юг в южном полушарии), которые в противном случае остались бы неосвещенными. Альтернативно, мансардные окна можно использовать для пропуска рассеянного дневного света (с севера в северном полушарии), который равномерно освещает пространство, например, классную комнату или офис. Часто свет от мансардных окон также падает на внутренние стены, окрашенные в белый или другой светлый цвет. Эти стены располагаются таким образом, чтобы отражать рассеянный свет в нужные зоны помещения. Этот метод имеет преимущество в снижении направленности света, делая его более мягким и диффузным, и уменьшая тени.
Крыша с пилотками
Другой вариант – скатная крыша с пилообразными секциями (встречается на старых заводах). Пилообразные крыши имеют вертикальное остекление, ориентированное от стороны экватора здания, для улавливания рассеянного света (а не резкого прямого солнечного излучения с экваториальной стороны). Угловая часть несущей конструкции остекления непрозрачна и хорошо изолирована с использованием "холодной" кровли и радиационного барьера. Концепция освещения пилообразной крыши частично решает проблему "солнечной печи" летом, но все же позволяет теплому воздуху внутри помещения подниматься и контактировать с наружным стеклом крыши зимой, что приводит к значительным нежелательным теплопотерям.
Сверху
Мансардные окна – это светопроницаемые элементы остекления (изделия, заполняющие проемы в ограждающей конструкции здания, включая окна, двери и т.д.), формирующие всю или часть кровли помещения. Мансардные окна широко используются в проектировании естественного освещения в жилых и коммерческих зданиях, главным образом потому, что они являются наиболее эффективным источником дневного света в расчете на единицу площади. Альтернативой мансардным окнам является фонарь. Фонарь – это световой купол, устанавливаемый над кровлей, в отличие от мансардного окна, которое монтируется в конструкцию кровли. Фонари служат как архитектурным элементом, так и способом обеспечения естественным освещением, и обычно представляют собой деревянные или металлические конструкции с несколькими остекленными панелями.
Световые лампы
В качестве элемента архитектуры, лайлайт – это застеклённая панель, обычно устанавливаемая вровень с потолком для пропускания естественного или искусственного света. В лайлайтах обычно используются витражные стёкла или линзы, но могут применяться и другие материалы. Например, в галерее Лаймской ассоциации искусств под световыми люками используются полупрозрачные белые муслиновые панели. Лайлайт отличается от застеклённого (или закрытого) светового люка тем, что световой люк выполняет функцию оконного или отверстия в крыше, а лайлайт располагается вровень с потолком внутреннего помещения. В сочетании с фонарем или световым люком на наклонной крыше лайлайт служит внутренним рассеивателем света. До появления электрического освещения лайлайты обеспечивали передачу света между этажами в крупных зданиях и не всегда использовались в паре со световыми люками.
Атриум
Атриум – это большое открытое пространство внутри здания. Он часто используется для естественного освещения центральных зон циркуляции или общественных пространств, благодаря дневному свету, проникающему через стеклянную крышу или стену. Атриумы обеспечивают некоторое количество дневного света для смежных рабочих зон, но его часто бывает недостаточно, и он не проникает на большую глубину. Основная функция атриума – обеспечить визуальное восприятие и ощущение связи с внешним миром для людей, находящихся в рабочих зонах. Естественное освещение последовательных этажей помещений, примыкающих к атриуму, взаимосвязано и требует сбалансированного подхода. Свет с неба легко проникает на верхние этажи, но не на нижние, которые в основном зависят от света, отраженного от внутренних поверхностей атриума, например, от пола. Верхним этажам требуется меньшая площадь остекления, чем нижним, и если стены атриума светлые, верхние стены будут отражать свет в сторону нижних этажей. Стены могут быть выполнены с использованием прозрачного клея. Если показатель преломления клея соответствует показателю преломления стекла, стена может быть достаточно прозрачной. Увеличивая количество бетона, в стены встраивают бутылки, проходящие насквозь и пропускающие свет. Также изготавливались бетонные стены со стеклянными призмами. С появлением более дешевых оптических волокон и волоконно-оптического бетона дневной свет (и тени) может проходить непосредственно через сплошную бетонную стену, делая ее полупрозрачной; оптоволокно способно направлять свет по изгибам и на десятки метров. Обычно передается лишь несколько процентов света (коэффициент светопропускания составляет примерно половину процента площади, занимаемой волокнами, а обычно используется около 5% волокон). И стекло, и бетон достаточно хорошо проводят тепло в твердом состоянии, поэтому эти стены не обладают хорошей теплоизоляцией. Поэтому их часто используют на открытом воздухе в качестве перегородки между двумя отапливаемыми помещениями (см. изображения) или в умеренном климате. Стены (и крыши) теплиц создаются для максимального пропускания света и минимального пропускания тепла. Они изготавливаются из различных материалов и могут быть прозрачными или полупрозрачными.
Удаленная рассылка
Возможно обеспечить некоторое дневное освещение в помещениях, где установка окон или световых люков затруднена, с помощью устройств удаленного распределения света, таких как зеркала, призмы или световоды. Это называется анидолическим освещением, происходящим от анидолической (не формирующей изображение) оптики. Нелинейная реакция человеческого глаза на свет означает, что рассеивание света по большей площади помещения создает ощущение большей яркости и обеспечивает более эффективное освещение. Системы удаленного распределения дневного света неизбежно сопровождаются потерями, и чем больше расстояние передачи света и сложнее траектория, тем выше неэффективность. Эффективность многих систем удаленного распределения также может значительно меняться в зависимости от погоды – от ясного до облачного неба. Тем не менее, когда иного способа обеспечить доступ дневного света в помещение нет, системы удаленного распределения могут быть весьма полезны. В холодную зиму естественный светоотражающий эффект создается за счет снежного покрова. Низкое зимнее солнце (см. диаграмму движения солнца) отражается от снега, увеличивая солнечный выигрыш через окна, ориентированные на экватор, на одну-две трети, что ярко освещает потолок помещения. Может потребоваться регулировка яркости (например, с помощью штор).
Призмы
Самым ранним применением призмы для дневного освещения, вероятно, были палубные призмы, устанавливаемые в палубы кораблей для пропускания света внутрь. Позже для освещения подвальных помещений под тротуарами стали использовать световые люки или сводовые люки. Призмы, использующие полное внутреннее отражение для направления света вбок и освещения более удаленных частей комнаты, приобрели популярность позднее. Ранние толстые стеклянные призматические плиты, медленно охлаждаемые при отливке, часто называли "люксферными плитами" по имени крупного производителя.
Световые трубки
Другой тип используемого устройства – световод, также называемый трубчатым устройством дневного освещения (TDD), который устанавливается в крышу и пропускает свет в определенную зону помещения. Они в некоторой степени напоминают встраиваемые потолочные светильники. Они передают меньше тепла, чем мансардные окна, из-за меньшей площади поверхности. TDD используют современные технологии для передачи видимого света через непрозрачные стены и крыши. Сам световод является пассивным компонентом, состоящим либо из простого отражающего внутреннего покрытия, либо из светопроводящего волоконно-оптического пучка. Обычно он оснащен прозрачным куполом на крыше, выполняющим функцию "светоуловителя", и завершается рассеивающим элементом, который пропускает дневной свет внутрь помещения и равномерно распределяет доступную световую энергию (или эффективно, если назначение освещенного пространства четко определено, и пользователю требуется одно или несколько "светлых пятен"). Устройство трубчатого дневного освещения было изобретено компанией Solatube International в 1986 году и впервые поступило в продажу в Австралии в 1991 году.
Активная дневная освещенность
Активное дневное освещение – это система сбора солнечного света с использованием механического устройства для повышения эффективности сбора света в зависимости от конкретной задачи освещения. Активные системы дневного освещения отличаются от пассивных тем, что пассивные системы являются неподвижными и не отслеживают солнце. Существуют два типа систем управления активным дневным освещением: системы слежения за солнцем с замкнутым контуром и с разомкнутым контуром. Системы с замкнутым контуром отслеживают солнце, опираясь на набор линз или датчиков с ограниченным полем зрения, направленных на солнце и постоянно полностью освещенных солнечным светом. Когда солнце движется, оно начинает затенять один или несколько датчиков, что система обнаруживает и активирует двигатели или исполнительные механизмы для перемещения устройства обратно в положение, где все датчики снова одинаково освещены. Системы с разомкнутым контуром отслеживают солнце, не физически следуя за ним с помощью датчиков (хотя датчики могут использоваться для калибровки). Эти системы обычно используют электронную логику, которая управляет двигателями или исполнительными механизмами устройства для слежения за солнцем на основе математической формулы. Эта формула обычно представляет собой предварительно запрограммированную диаграмму движения солнца, которая показывает положение солнца на заданной широте в определенную дату и время каждого дня.
Умное стекло
Умное стекло – это название, данное классу материалов и устройств, способных переключаться между прозрачным состоянием и состоянием непрозрачности, полупрозрачности, отражения или ретроотражения. Переключение осуществляется путем подачи напряжения на материал или выполнения простого механического воздействия. Окна, мансардные окна и другие подобные конструкции из умного стекла могут использоваться для регулировки освещения внутри помещений, компенсируя изменения внешней освещенности и необходимой яркости внутри.
Гелиостаты
Использование гелиостатов, зеркал, которые автоматически перемещаются, чтобы отражать солнечный свет в постоянном направлении по мере движения солнца по небу, становится все более популярным как энергоэффективный метод освещения. Гелиостат может быть использован для направления солнечного света непосредственно через окно или световой люк, или в любую систему оптических элементов, например, световодов, которые распределяют свет в нужном месте. На изображении показано зеркало, вращающееся на альтазимутальной монтировке, управляемой компьютером и приводимой в движение мотором.
Солнечные уличные фонари
Солнечные уличные фонари – это приподнятые источники света, работающие от фотоэлектрических панелей, обычно установленных на конструкции освещения. Солнечная батарея такой автономной фотоэлектрической системы заряжает аккумуляторную батарею, которая питает люминесцентную или светодиодную лампу в ночное время. Солнечные уличные фонари представляют собой независимые энергосистемы и имеют преимущество в виде экономии на прокладке траншей, благоустройстве и затратах на обслуживание, а также на счетах за электроэнергию, несмотря на их более высокую первоначальную стоимость по сравнению с традиционным уличным освещением. Они оснащены достаточно емкими аккумуляторами для обеспечения работы не менее недели, и даже в самых неблагоприятных условиях ожидается лишь незначительное снижение яркости.
Гибридное солнечное освещение
Национальная лаборатория Оук-Ридж (ORNL) разработала новую альтернативу мансардным окнам, называемую гибридным солнечным освещением. Эта конструкция использует установленный на крыше светособиратель, оптическое волокно большого диаметра и модифицированные энергоэффективные флуоресцентные светильники с прозрачными стержнями, подключенными к оптоволоконным кабелям. Фактически, для дневного естественного освещения помещений не требуется электричество. Полевые испытания новой технологии HSL, проведенные в 2006 и 2007 годах, были обнадеживающими, однако производство оборудования малыми сериями все еще остается дорогостоящим. Ожидается, что HSL станет более экономически выгодной в ближайшем будущем. Версия, способная выдерживать сильные ветры, может начать заменять традиционные коммерческие системы флуоресцентного освещения с улучшенными характеристиками в 2008 году и позднее. Закон об энергетике США 2007 года предусматривает финансирование исследований и разработок HSL, и ряд крупных коммерческих зданий готовы финансировать дальнейшую разработку и внедрение HSL. В ночное время HSL от ORNL использует электронные пускорегулирующие аппараты для флуоресцентных ламп с регулируемой интенсивностью. По мере постепенного снижения солнечного света на закате, флуоресцентный светильник плавно включается, обеспечивая почти постоянный уровень внутреннего освещения от дневного света до наступления темноты. HSL может вскоре стать доступным вариантом для коммерческого внутреннего освещения. Она способна передавать около половины получаемого прямого солнечного света.
Солярий
В хорошо спроектированном изолированном здании с солярием, зимним садом, теплицей и т.п. обычно имеется значительное количество стекла со стороны экватора. Большая площадь остекления также может быть добавлена между зимним садом и внутренними жилыми помещениями. Недорогое, производимое в больших объемах, безопасное стекло для патио-дверей – это экономичный способ достижения этой цели. Двери для входа в комнату должны располагаться напротив внутреннего остекления зимнего сада, чтобы входя в большинство комнат, человек сразу мог видеть улицу. Коридоры следует минимизировать, заменяя их открытыми пространствами. Если коридор необходим для обеспечения приватности или изоляции помещения, недорогое стекло для патио-дверей можно установить с обеих его сторон. Шторы над внутренним стеклом можно использовать для регулировки освещения. Шторы могут быть опционально автоматизированы с помощью электроприводов, управляемых датчиками, которые учитывают занятость помещения, уровень дневного света, температуру внутри и время суток. Пассивные солнечные здания без центральной системы кондиционирования воздуха нуждаются в системах управления для учета почасовых, ежедневных и сезонных изменений температуры и освещенности. Если температура подходящая, а комната пуста, шторы могут автоматически закрываться для снижения теплопередачи в обоих направлениях. Для распределения света из зимнего сада в части комнат, наиболее удаленные от экватора, можно использовать недорогие зеркала от пола до потолка. Строительные нормы требуют наличия второго эвакуационного выхода на случай пожара. Большинство проектировщиков используют дверь с одной стороны спальни и окно наружу, однако окна, выходящие на запад, обладают очень низкой тепловой эффективностью летом. Вместо окна, выходящего на запад, проектировщики используют прочную энергоэффективную дверь, заполненную пенопластом с теплоизоляцией R13. Снаружи может быть установлена стеклянная дверь, чтобы свет мог проникать, когда открыта внутренняя дверь. Стеклянные двери и окна, ориентированные с востока на запад, должны быть полностью зашторены сверху вниз, либо можно использовать спектрально-селективное покрытие для уменьшения солнечного излучения.
Дизайн
Архитекторы и дизайнеры интерьеров часто используют естественное освещение как элемент дизайна. Качественное естественное освещение требует внимания как к качественным, так и к количественным аспектам проектирования. Современные исследования показывают, что условия освещения на рабочих местах влияют на различные факторы, связанные с удовлетворенностью работой, продуктивностью и самочувствием, а также обеспечивают значительно более высокую визуальную комфортность при естественном освещении по сравнению с искусственным. Исследования также продемонстрировали, что свет оказывает прямое воздействие на здоровье человека, поскольку влияет на циркадные ритмы.
Количественный
Для того чтобы пространство было хорошо освещено естественным светом, необходимы как достаточный уровень освещенности, так и равномерное распределение света. В современной строительной индустрии, использование естественного освещения рассматривается как показатель эффективности здания в программах сертификации экологичного строительства, таких как LEED. Illuminating Engineering Society (IES) и Society of Light and Lighting (SLL) предоставляют рекомендации по уровню освещенности для каждого типа помещений. Вклад естественного освещения в достижение рекомендованного уровня освещенности определяет эффективность использования естественного освещения в здании. IES утвердила два показателя для оценки эффективности естественного освещения: пространственная автономия дневного света (sDA) и годовая экспозиция солнечному свету (ASE). sDA – это показатель, описывающий годовую обеспеченность достаточным уровнем естественного освещения во внутренних помещениях. Подробности см. в разделах "Автономия дневного света" и "Документация LEED".
Полевые измерения
В существующих зданиях можно проводить натурные измерения для оценки эффективности естественного освещения. Измерение освещенности на сетке является базовым методом для определения средней освещенности помещения. Шаг между точками измерения варьируется в зависимости от целей проекта. Высота этих точек определяется местом выполнения основной работы. В большинстве офисных помещений измерения проводятся на уровне столешницы (0,762 м над полом). На основе полученных данных рассчитываются средняя освещенность, коэффициент равномерности между максимальным и минимальным значениями, а также коэффициент равномерности между средним и минимальным значениями, которые затем сравниваются с рекомендуемыми уровнями освещенности. Для анализа удовлетворенности пользователей здания может быть проведено специализированное обследование, посвященное освещению. Показатель автономности естественного освещения полезен для определения способов проникновения и распределения дневного света в помещении. Однако его недостатком является отсутствие верхнего предела уровней освещенности. Следовательно, помещение с высоким внутренним тепловыделением, которое может быть признано пользователями некомфортным, может показать хорошие результаты при анализе. Достижение автономности естественного освещения требует комплексного подхода к проектированию, учитывающего форму здания, его ориентацию, климатические условия, конструктивные элементы, системы управления освещением и критерии проектирования освещения.
Непрерывный
Постоянная автономность дневного света аналогична автономности дневного света, но частичный учёт производится для временных интервалов, когда уровень освещённости дневным светом оказывается ниже минимального требуемого уровня. Например, если целевой уровень освещённости составляет 400 люкс, а рассчитанное значение – 200 люкс, то автономность дневного света не засчитывается, в то время как постоянная автономность дневного света засчитывает 0,5 (200/400 = 0,5). Преимущество постоянной автономности дневного света заключается в отсутствии жёсткого порога приемлемой освещённости. Вместо этого она учитывает переходную область, позволяя отражать реалистичные предпочтения в конкретном помещении. Например, офисные работники часто предпочитают работать при освещении дневным светом ниже порогового уровня, поскольку это позволяет избежать потенциального ослепления и избыточного контраста. Верхний порог используется для определения возникновения бликов или теплового дискомфорта, которые могут потребовать решения.
Распределение освещенности
Помимо определения величины освещенности на горизонтальной поверхности, разработан метод анализа годовых распределений освещенности для естественного освещения. Каждое годовое распределение освещенности сравнивается с другими с использованием метода главных компонент. Это позволяет сравнить взаимосвязь между отдельными распределениями. Распределения естественного освещения, более схожие друг с другом из-за архитектурных особенностей и времени года, в котором они формируются, объединяются в группы. Эти группы используются для выделения наиболее типичных распределений для данного здания. Этот метод позволяет легко интерпретировать, как естественный свет распространяется по пространству в течение всего года в любом здании.
Документация LEED
Стандарты естественного освещения LEED 2009 были разработаны для обеспечения связи находящихся в здании людей с внешней средой посредством использования оптимальных методов и технологий. Согласно этим стандартам, максимальное значение в 1 балл можно получить четырьмя различными способами. Первый способ – компьютерное моделирование для демонстрации, при безоблачном небе, уровней дневного освещения от 108 до 5400 люкс 21 сентября между 9:00 и 15:00. Другой нормативный подход – метод, использующий два типа бокового освещения и три типа верхнего освещения для определения, достигается ли минимум 75% естественного освещения в используемых помещениях. Третий подход предполагает измерения освещенности внутри помещения, показывающие, что в помещении достигнуты уровни от 108 до 5400 люкс. Последний подход – комбинация трех других методов расчета для подтверждения соответствия требованиям к естественному освещению. Документация LEED 2009 основана на расчете коэффициента дневного света. Расчет коэффициента дневного света основан на равномерном пасмурном небе и наиболее применим в Северной Европе и некоторых частях Северной Америки. Коэффициент дневного света – это «отношение освещенности в точке на плоскости, как правило, горизонтальной рабочей плоскости, создаваемой световым потоком, полученным непосредственно или косвенно в этой точке от неба, распределение яркости которого известно, к освещенности на горизонтальной плоскости, создаваемой незаслоненным полушарием этого же неба». Существует два варианта достижения максимального значения по этим двум последним показателям. Один из вариантов – использование компьютерного моделирования для демонстрации пространственной автономии дневного света в 300 люкс в течение не менее 50% времени и годовой экспозиции солнечному свету в 1000 люкс в течение 250 часов пребывания в помещении в год. Другой вариант – показать, что уровни освещенности находятся в диапазоне от 300 до 3000 люкс между 9:00 и 15:00 в ясный день в день равноденствия на 75% или 90% площади пола в помещении. Общая цель показателей естественного освещения LEED v4 – анализ как количества, так и качества света, а также баланс использования остекления для обеспечения большего количества света и снижения нагрузки на охлаждение.