CC BY
537
УДК 628.97
БЛИНОВ В. А. СМИРНОВ Л. Н БЛИНОВ В. В.
Блинов
Владимир
Александрович
кандидат технических наук, профессор УралГАХА, Заслуженный работник высшей школы РФ
e-mail: ecology@usaaa.ru
Смирнов
Леонид
Николаевич
кандидат архитектуры, профессор УралГАХА, Заслуженный работник высшей школы РФ
e-mail: lsmirnov@bk.ru
Блинов
Владимир
Владимирович
магистрант УралГАХА
e-mail: blinow@e1.ru
Совершенствование естественного освещения в жилых и офисных зданиях
На примере авторских экспериментальных исследований, а также зарубежной практики внедрения новых систем освещения, основанных на передовых технологиях, в статье рассматриваются вопросы, знание которых способствует более полному использованию естественного света в жилых и офисных зданиях в условиях уплотненной городской застройки.
Ключевые слова: уплотненная застройка городов, светоотражающие экраны, световоды, светоотражающие устройства, формула общей освещенности помещений, комфортная световая среда.
BLINOV V. A.
SMIRNOV L. N.
BLINOV V. V.
IMPROVEMENT OF NATURAL LIGHTING IN RESIDENTIAL AND OFFICE BUILDINGS
The article deals with the knowledge that enhances the use of natural light in residential and office buildings in condensed urban areas. The author analyzes the author's experimental studies, as well as the introduction of new lighting systems in foreign practice.
Keywords: compacted urban development, reflective screens, optical fibers, reflective devices, the formula of the general lighting facilities, comfortable lighting environment.
С каждым годом в крупных городах страны появляется все больше новых, в основном высотных жилых и общественных зданий. Статистика показывает, что строят не только больше и выше, но плотнее и дороже. Бурное, порой агрессивное строительство последних лет вызывает озабоченность архитекторов, ученых-эко-логов, социологов, гигиенистов, психологов.
Сегодня уже можно объективно говорить о последствиях политики уплотнения застройки в центрах городов. Происходит ухудшение многих социальных и экологических параметров отдельных городских кварталов. Это приводит к ряду проблем: уменьшению площади дворовых озелененных пространств, появлению в дворовых пространствах автомобильных стоянок, снижению доли детских, спортивных площадок, придомовых территорий, предназначенных для отдыха населения. Повышается рост различных заболеваний, связанных с дис-комфортностью условий проживания.
Одним из наиболее существенных недостатков современной уплотненной застройки является нарушение нормативных показателей
по обеспечению жителей квартир естественным освещением и инсоляцией.
Во всем мире признана гигиеническая, оздоровительная, экологическая и энергетическая роль естественного света, особенно солнечного. Известно, что наличие естественного света в квартирах влияет на самочувствие и работоспособность человека. Положительное воздействие непрерывного спектра естественного света не только оказывает благоприятное воздействие на психологическое и физиологическое состояние человека, но снижает уровень мелатонина (гормона, влияющего на сон), увеличивает уровень кортизона, способствующего активности и бодрости людей. Использование естественного света — существенный аспект энергосбережения.
Цель настоящей статьи — определить пути улучшения естественного освещения жилых и офисных помещений при угрозе (или наличии) нарушения существующих нормативов.
Для оценки качества естественного освещения помещений с боковыми оконными проемами используются следующие критерии: экспозиция окон, направленность естественного света,
Иллюстрация 1. Схема размещения светоотражающих экранов
светозащита, видение наружного окружения и ограничения блескости в поле зрения. Естественный свет, попадающий в помещение здания через боковые светопроемы, складывается из трех составляющих:
Епом = Ен + Езд + Е3, (1)
где Ея — прямой свет от участка неба; Езд — свет, отраженный от фасадов противостоящих зданий; Е3 — свет, отраженный от поверхности земли.
В условиях уплотненной застройки составляющая прямого естественного света неба ( Ен ) часто достаточно мала, а порой приближена к нулю. Наиболее в критическом положении оказываются нижние этажи здания, затененного окружающей застройкой. Естественный свет поступает через оконные проемы, витражи не от всего небосвода, а лишь от участка неба, видимого через светопроем. Следовательно, необходимо найти пути увеличения этой доли поступающего в помещения естественного света. Исходя из формулы рассмотрим уплотнение застройки и отклонение от нормативных показателей коэффициента естественной освещенности, пути возможного увеличения каждой расчетной составляющей с целью компенсации недостающего естественного освещения.
Изменение геометрических параметров и форм светопроемов
Световые проемы — один из элементов, определяющих количественные и качественные показатели световой среды жилых помещений. От размещения, размеров и формы окон зависит обеспечение оптимального светового режима в квартирах и офисах.
Увеличение размеров окон. Этот прием возможен, но в условиях сложившейся застройки ограничен двумя факторами:
• необходимостью изменения конструктивных характеристик стены, что не всегда допустимо;
• увеличением теплопотерь квартирой (зданием), необходимостью применения дополнительных нагревающих приборов, что противоречит требованиям энергосбережения.
Возможность применения этого способа требует соответствующих расчетов и нахождения оптимального решения при обеспечении нормативных показателей естественной освещенности (КЕО), теплового комфор-
та помещений и экономии расходов на отопление.
Преобразование существующих оконных проемов. В этом случае традиционные окна с вертикальной конструкцией и остеклением реконструируются: превращаясь в наклонное (под углом 15-20° по отношению к горизонту), окно «ловит» большую часть небосвода, увеличивая как КЕО, так и продолжительность инсоляции. При этом Ен и соответственно КЕО дополнительно увеличиваются за счет увеличения коэффициента яркости небосвода. Коэффициент отражения плоскостей оконных откосов р должен быть не менее 0,50%.
Учет затеняющих элементов. При расчете Ен и ен (КЕО) в соответствии со СНиП 23-05-95* используется как составляющая формула общего коэффициента светопропус-кания оконного проема:
Т0 = Т1 ■ Т2 ■ Т3 ■ Т4 .
В этой формуле т4 подразумевает различные затеняющие элементы, снижающие КЕО в помещении (лоджии, балконы, эркеры, козырьки).
Необходимо заметить, что широкое проектирование зданий с лоджиями в условиях уплотненной застройки существенно снижает световой поток, усложняет получение нормативного КЕО и также поступление прямых солнечных лучей.
Вероятно, следует рассмотреть альтернативу: хотим иметь удобную лоджию — лишаемся минимально допустимых гигиенических показателей (работа при естественном свете, бактерицидный и психофизиологический эффект).
Та же проблема возникает при повсеместном самовольном застеклении
лоджий и балконов отдельными секциями с широкими переплетами, после чего в центре жилой комнаты КЕО по сравнению с традиционным, открытым балконом (лоджией) снижается на 10-20% и может оказаться ниже нормативного.
Свет, отраженный от окружающих зданий
Отраженный естественный свет ( Е3д ) зависит от качеств фасадов зданий, и в первую очередь от их цветовой отделки (светлой, светло-серой, темной), и отражательных способностей материалов отделки фасадов.
Количество отраженного света определяется альбедо, т. е. коэффициентом отражения материалов, из которых выполнены наружные поверхности фасадов зданий. Однако часто эти данные отсутствуют в колористических паспортах архитектурных проектов. В результате, если расчет КЕО требует светлой окраски фасада возводимого противостоящего здания, а архитекторы дают «красивый» темный цвет, то на практике никто из экспертов проекта этого не учитывает. Пренебрежение к составляющей Е3д ведет к существенному снижению показателей КЕО как для жилых, так и общественных зданий, особенно для их нижних этажей, и перерасходу электроэнергии при использовании искусственного освещения помещений в светлое время суток.
Светоотражающие экраны — новое средство увеличения естественной освещенности
В качестве экспериментального решения по обеспечению жилых помещений дополнительным световым потоком в объекте с недостаточным
Иллюстрация 2. Проведение эксперимента по установке светоотражающих экранов на высотном здании
естественным освещением жилых помещений были использованы светоотражающие экраны, установленные на карнизе противостоящего здания, в районе улиц Щорса, Союзной — Сурикова в г. Екатеринбурге (Иллюстрации 1, 2). Они позволили увеличить отраженную составляющую в помещениях затеняемого здания при безоблачной солнечной погоде на 20-30% и на 7-10% при пасмурной погоде.
Более совершенной представляется система, состоящая не из единичного экрана, а из системы экранов, установленных с учетом движения солнца и дающих относительно постоянный отраженный поток света на затеняемую часть фасада объекта.
Светоотражающие экраны, примененные в ходе экспериментальных исследований, представляют собой рифленорассеивающую поверхность стального листа с коэффициентом отражения 0,7-0,85 (размером 1500 х 2000 мм) и установлены на шарнирную конструкцию, позволяющую ориентировать экраны в нужном направлении и под необходимым углом.
Горизонтальный угол постановки экранов был рассчитан с учетом азимута солнца в 15, 16, 17 часов в дни весенне-осеннего равноденствия. Вертикальный угол наклона был рассчитан на наибольшую вероятность попадания отраженного света на исследуемый объект.
Более рациональным, чем установка экранов на карнизе высотных зданий, может быть прием обогащения отражательной способности фасада дома, противостоящего затеняемому: светлая окраска фасада; навесные панели с высоким показателем коэффициентов отражения. Такие же панели могут быть вмонтированы в элементы дворовой инфраструктуры (электрические подстанции, внутридворовые хозяйственные постройки и т. п.).
Весьма эффектны отражательные панели фасеточного типа. Трехмерное искривление поверхностей экрана
усиливает солнечный или рассеянный свет неба и перенаправляет его под определенным углом на ранее затененные участки фасада со свето-проемами. Светоотражающие экраны имеют прямоугольную форму (1000 х 1500 мм), но могут быть объединены в панели большего размера.
Есть возможность использовать фасеточные зеркала — отражатели, разработанные зарубежными фирмами (например, Bartenbach, Lichtlabor, Thorn). Свет, отраженный фасеточными зеркалами на фасад здания, сохраняет необходимую яркость, но при этом он становится рассеянным, что исключает слепящий эффект, особенно при прямом солнечном свете инсоляции. Аналогичные фасеточные зеркала применяются при освещении их направленным искусственным светом прожекторов для создания комфортной световой среды высоких атриумных зданий.
Введение нового источника дополнительной освещенности позволяет преобразовать формулу Епом (1):
Епои = Ен + Езд + Е3 + Еэ , (2)
где Еэ — доля освещенности помещения за счет естественного света, отраженного от светоэкрана.
Светоотводы и светоотражающие устройства
Все вышеперечисленное относится к традиционным путям увеличения естественной освещенности: небо, окно, фасад, экран. Однако в настоящее время ведутся и уже внедряются научно-технические разработки новейших средств введения естественного света в помещения различного назначения.
Они преследуют три цели: обеспечение гигиенически достаточной освещенности; обеспечение связи человека с природой (солнце, воздух, небосвод); увеличение энергосбережения за счет экономии электроэнергии.
Для оптимизации систем естественного освещения жилых и общественных зданий за рубежом в районах плотной городской застройки используют различные типы устройств ввода естественного света (УВЕС) в соответствии с требованиями пользователей и нормативными показателями по КЕО разных по функции помещений.
Рассмотрим отдельные примеры организации такого вида освещения австрийскими учеными (компания Bartenbach Lichtlabor GmbH).
• Рефлекторная система дневного
освещения устанавливается на фа-
саде здания и направляет рассеянный облаками дневной свет неба через перенаправляющие отражающие элементы внутрь офисных помещений на плоскость потолка, покрытого материалами с высокой отражающей способностью (Иллюстрация 3).
Перераспределение наружного естественного света вовнутрь помещения с помощью зеркальных световых полок (Иллюстрация 4).
Отклонение наружного естественного света в глубь помещения с помощью навесных оконных призматических устройств
(Иллюстрация 5). Дополнительный ввод естественного света с помощью гори-
Иллюстрация 3. Введение отраженного естественного света в глубинную зону помещения при помощи внешнего рефлектора и материала потолка
Иллюстрация 4. Введение отраженного естественного света с помощью световой полки
Иллюстрация 5. Введение естественного света с помощью призматических устройств
Иллюстрация 6. Ввод дополнительного
естественного света с помощью горизонтальных полых световодов
зонтальных полых световодов (ГПС). Этот прием, способствующий повышению эффективности естественного освещения в удаленных от окон зонах помещений, разработан специалистами для уплотненной застройки Гонконга (КНР). ГПС «забирают» прямой солнечный и рассеянный свет с фасада здания и доставляют его в глубь помещений путем многократных отражений в световодной полости. Устройства ГПС способствуют общему повышению экономичности освещения из-за снижения энергозатрат на искусственное освещение. В ГПС используются отражающие панели лазерной резки, перенаправляющие пучок света параллельно полому световоду, что значительно снижает потери при внутреннем отражении от поверхностей световода. Длина ГПС до 7 м, высота 0,5 м (Иллюстрация 6).
• Новым быстропрогрессирующим способом ввода в помещения и перераспределения в них прямого солнечного и рассеянного света неба является применение вертикальных полых трубчатых световодов (ВПТС). Этот способ нашел применение в США, Англии, Италии, Германии, Австралии. Системы ВПТС состоят из светопроемного куполообразного узла, устанавливаемого на кровле здания, торцевого трубчатого световода из зеркального алюминия различной формы поперечного сечения (от 200 мм до 1,5 м в диаметре) и светорассеивающего выходного окна, располагаемого на потолке освещаемого помещения. Основное достоинство ВПТС — экономия электроэнергии в затемненных окружающей застройкой помещениях в дневное время суток, создание более комфортной и здоровой световой среды. Наряду с этим они обеспечивают снижение тепловой нагрузки на помещения летом и теплопередачи из помещений зимой по сравнению с использованием зенитных фонарей и световых куполов атриумных зданий. Однако применение ВПТС возможно лишь в малоэтажных зданиях
(4-5 этажей), экранируемых противостоящими многоэтажными домами (Иллюстрация 7).
Если изъять из расчетов КЕО Е3 в силу недостаточной точности и малой величины отражения от земли и элементов ландшафта и добавить долю света от световодов, то формула, предлагаемая для расчета общей естественной освещенности (2), принимает вид:
Епом = Ен + Езд + Еэ + Есву, (3)
где Ея — свет, поступающий от неба; Езд — свет, отраженный от близстоящих зданий; Еэ — свет, отраженный от светоэкранов; Есву — свет, поступающий в помещение за счет световодов и перераспределяющих устройств.
Мировая практика эксплуатации зданий, которые были спроектированы с применением УВЕС, ГПС и ВПТС, показывает, что за счет более полного использования естественного освещения в зданиях достигается экономия электроэнергии на искусственное освещение от 20 до 50%.
Следует подчеркнуть, что данные рекомендации не распространяются на нормативный показатель по инсоляции по прямому солнечному облучению, дающему оздоровительный и психофизиологический эффект. Проблема инсоляции требует в современных условиях особых исследований и поиска новых приемов и способов ее решения.
Заключение
Широкое применение осветительных систем и устройств на базе самых передовых технологий для помещений зданий, расположенных в уплотненной городской застройке, не только компенсирует недостающую освещенность в соответствии с нормативными показателями и создает комфортную для человека световую среду, но и вносит свой вклад в энергосбережение возводимых или уже существующих зданий.
Список использованной литературы
1 Смирнов Л. Н., Слукин В. М. Проектирование световой среды интерьеров жилых и общественных зданий : учеб. пособие. Екатеринбург, 2008.
2 Слукин В. М., Смирнов Л. Н. Обеспечение нормированных условий естественного освещения жилых зданий в уплотненной застройке // Академический вестник УралНИИпроект РААСН. 2011. № 4.
3 Бартенбах К., Бартенбах В. Как правильно осветить рабочее место в офисе // Современная светотехника. 2010. № 1.
4 Квок Ч. М., Чан Ц. М. Исследования эффективности горизонтальных световодов для естественного освещения помещений с боковыми окнами // Светотехника. 2008. № 5.
5 СНиП 23-05-95*.
Иллюстрация 7. Ввод естественного света в недостаточно освещенные зоны помещения с помощью вертикальных полых световодов
