ВЛИЯНИЕ ПОЛЫХ ТРУБЧАТЫХ СВЕТОВОДОВ НА СВЕТОВОЙ И ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМ ПОМЕЩЕНИЙ Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 628.9

Б01: 10.24412/2071-6168-2024-4-170-171

ВЛИЯНИЕ ПОЛЫХ ТРУБЧАТЫХ СВЕТОВОДОВ НА СВЕТОВОЙ И ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМ ПОМЕЩЕНИЙ

В.А. Зайцев, О.Г. Земцова, А.Г. Елистратова, Е.И. Минаков, В.А.Углов

Эффективное решение как провести естественный свет в помещения глубокого залегания явилось использование системы верхнего освещения. В частности, использование полых трубчатых световодов (ПТС) -быстро прогрессирующий способ естественного освещения помещений. Устанавливаясь на крыше или стенах объекта, ПТС принимают естественный свет, затем проводя его внутрь помещений при помощи коленчатых участков труб, внутреннюю поверхность которых устилает пленка, обладающая высоким коэффициентом отражения. Очевидна целесообразность применения ПТС как дополнительного источника естественного света в светоклима-тических условиях Пензенской области. Такое применение повысит качество световой среды помещения, а также поможет снизить затраты ЭЭ на электрическое освещение.

Ключевые слова: полый трубчатый световод, здания, зависимость, коэффициент, освещение.

Перед светотехниками достаточно остро стояла проблема «выравнивания» освещенности на расчетной плоскости помещения, которая связана с асимптотическим убыванием ее величины по мере удаления от светового проема. Также всегда имелась проблема, как провести естественный свет в помещения глубокого залегания, в которых по техническим причинам невозможно применить традиционное оконное освещение. Эффективным решением этих вопросов явилось использование системы верхнего освещения. В частности, использование полых ПТС - быстро прогрессирующий способ естественного освещения помещений. Устанавливаясь на крыше или стенах объекта, ПТС принимают естественный свет, затем проводя его внутрь помещений при помощи коленчатых участков труб, внутреннюю поверхность которых устилает пленка, обладающая высоким коэффициентом отражения. В наши дни данная технология нашла свое широкое применение во многих странах Европы - Англии, Италии, Германии - а также в США, Канаде и Австралии [2,3].

Составляющими системы являются: наружный светоприемный купол (так называемая линза Френеля), светонаправляющий элемент (это труба, которая покрыта материалом с высоким коэффициентом отражения), внутренний диффузор, необходимый для перераспределения светового потока внутри помещения (см. рисунок 1). Места расположения купола световода могут быть различны, это может быть крыша здания, что удобно для сбора солнечного света из зенитных областей небосвода, или же его фасад. Купол сконструирован таким образом, что он улавливает не только прямые солнечные лучи, но также имеет возможность собирать свет всей полусферы. Такая конструкция позволяет поддерживать необходимый уровень освещенности, невзирая на такие факторы как облачность, зимний период времени, раннее утро или вечер, когда Солнце располагается близко к горизонту.

Рис. 1. Принцип работы Solatube Daylighting System

Разработки ученых, сделанные в области отражающих материалов для внутреннего покрытия световодов [4, 5, 6], привели к тому, что появился материал, основанный на применении многослойных полимерных оптических стеков, зеркальный коэффициент отражения которого превышает 99%. Многослойное тонкопленочное покрытие, формирующее резонансный интерференционный стек, изготавливается из прозрачного диэлектрического материала. При помощи этого стека и происходит обеспечение высокого коэффициента отражения для широкого диапазона углов падения света. Применение этого материала в значительной степени увеличило те расстояния, на которых передача света экономически выгодна. К примеру, полый световод Solatube Daylightning Systems, имеющий многослойное интерференционное покрытие с рекордной величиной отражающей способности 99,7%, передает свет с малыми потерями, не превышающими 2-3%, на расстояние до 20 м. Благодаря своим уникальным свойствам, это покрытие эффективно обеспечивает поступление видимого излучения, при этом препятствуя передаче тепловой и ультрафиолетовой составляющей солнечных лучей.

Установив такую систему в здании, можно отказаться от искусственного освещения в течение светлого времени суток, поскольку она обеспечивает комфортное освещение естественного происхождения, при этом обладая высоким качеством цветопередачи, однородностью и равномерностью освещенности, отсутствием пульсаций светового потока.

Еще одно немаловажное преимущество световодов - их возможность транспортировать свет через конструкцию крыши при помощи поворотных колен. То есть световоды могут вписаться в конструкцию, отклоняясь и поворачиваясь на своем пути, доставляя естественный свет туда, где он необходим (см. рисунок 2).

I»

а б

Рис. 2. Установка полых трубчатых световодов - способы: а - на фасаде здания для освещения подземных помещений; б - на фасаде здания с горизонтальным вводом света в помещение

Известен метод расчета освещенности от ПТС, который был предложен Дж. Бракале, а также схемы расчета по закону Ламберта и по формуле (1) в нормативном документе СП 23-102-2003.

Предлагаем рассмотреть световую эффективность применения ПТС в географо- климатических условиях Пензенской области.

Общая эффективность светопропускания полого трубчатого световода согласно, равна:

Пт=?с Т • Km 4 = Kl 'I С1)

где тс- общий коэффициент пропускания купола ПТС. Для Solatube Daylighting systems тс = 0,92; Td- коэффициент пропускания диффузора (Td= 0,8); Кз- коэффициент запаса (учет загрязнения при эксплуатации), Кз= 0,77 [37];

эффективность светопропускания световода, зависимая от коэффициента отражения зеркального покрытия световой трубы (для Solatube Daylighting systemsр = 0,997) и от отношения длины ПТС L к его диаметру D [7]:

—tgdin p

eD

4 =-e-—. (2)

1 - —tg0 ln p

1/2

где 0 -

- угол между осью ПТС и световым лучом.

Для прямой составляющей солнечной освещённости под открытым небом

при вертикальном положении оси ПТС угол в определяется как зенитное расстояние Солнца в данный момент времени. Таким образом, значение £ меняется с изменением положения Солнца. Чем оно ближе к горизонту, тем менее эффективен ПТС, поскольку увеличивается количество внутренних отражений. Следовательно, расчет средней эффективности ПТС необходимо выполнять при условиях облачного неба МКО (Международная комиссия по освещению) при в = 30°.

Изменение коэффициента отражения всего на 0,1% влечет за собой изменения его эксплуатационных характеристик. Влияние отношения Ь / Б на эффективность светопропускания световода, рассчитанная по формуле Бинт-Чао 2), согласно [1], показано на рисунке 3.

UD

Рис. 3. Зависимость <; от соотношения L/D световода при различных коэффициентах отражения

171

£

... 0=53С1ым

Рис. 4. Зависимость щ от длины световода, Ь при различных его диаметрах при коэффициенте отражения (р=0,997)

При изменении направления ПТС с помощью различных колен происходит изменение (уменьшение) £ из-за увеличения его эффективной длины.

Конечный световой поток, который выходит из диффузора, выражается как:

Фа • фе

где Фе - световой поток входящий в ПТС снаружи. Он равен:

0 ЕН ■ 3луп :

Ф =

^e

1800 -а0

180

где а0 угол отклонения оси трубы от зенита,

1800 -а0

180

0

входной коэффициент световода; ЕН - горизонтальная

освещенность, под открытым небом, лк; 3 - площадь светособирающего купола ПТС, м2.

Используя формулы (1-2) и данные о дневном ходе наружной суммарной освещенности (рисунок 5), возможно определить эффективность использования ПТС в Пензенской области.

Время суток, ч

Рис. 5. Графики дневного хода наружной суммарной освещенности каждого месяца года в г. Пенза

В расчетах использовались системы естественного освещения Solatube Daylighting systems (США), таблица

1.

Таблица 1

Площадь светособирающего купола ПТС_

Тип световода Площадь купола, м2

Solatube®160 DS 0,103

Solatube®290 DS 0,187

Solatube®330 DS 0,213

Результаты расчетов приведены для четырех месяцев при длине световода 2,3м в таблицу 2: Как показано в таблице 2, эффективность ПТС летом выше, чем зимой, в семь раз.

Альтернативный источник искусственного света для Solatube® 330DS с потоком 4800лм летом - это растровый светильник с люминесцентными лампами 4х18Вт.

Переход от ФА освещённости на рабочей поверхности в расчётной точке помещения ЕМдля плоского равнояркого излучателя производится по закону Ламберта:

( ) ЬЛА СР8 р- С08 у Е\£)м =-о-.

где Ld- яркость диффузора по нормали к его поверхности.

Расчет систем Solatube® DS

(3)

Таблица 2

Тип световода Ма рт Июнь Сентябрь Декабрь

Фе, клм Фd, клм Фе, клм Фd, клм Фе, клм Фd, клм Фе, клм Фd, клм

Solatube®160 DS (250 мм) 3,0 1,7 4,2 2,3 2,6 1,4 0,6 0,3

Solatube® 290 5,4 3,0 7,6 4,2 4,7 2,6 1,0 0,6

DS ( 350 мм)

Solatube® 330 6,2 3,5 8,6 4,8 5,4 3,0 1,2 0,7

DS ( 530 мм)

Остальные обозначения приводятся на рисунках 6 и 7.

Рис. 6. Схема для расчета ПТС по закону Ламберта

Ы определяется по выражению:

Ьа =

Таким образом,

Рис. 7. Схема для расчета ПТС по нормативному документу СП 23-102- 2003

Фа nd [(180 -а)/180] - En

ж-A

Ем =

nd [(l80-а)/180]-En - Аcosß-cosy

Учитывая, что коэффициент естественной освещенности ен равен отношению Ем к Ен, имеем:

nd [(180 -а)/180] ■S куп ■ cos в-cos у

.-100,%

(4)

Согласно нормативному документу [9], КЕО в любой точке помещения от круглого или прямоугольного диффузора можно также рассчитать по формуле:

ен = Пв -[(180-а)/180]-sin2 (у)-100-%

(5)

Результаты расчёта по формулам (2) и (3) совпадают.

Отражённая составляющая общей световой среды помещения учитывается согласно табл. Б.9 СП 23-1022003, также как и для систем верхнего естественного света:

е0 =емср.- (r2 -1).

где значение r2 определяется в зависимости от отношения высоты диффузора над рабочей поверхностью и ширины помещения hф/l1, значения средневзвешенного коэффициента отражения помещения рсри числа пролётов п.

Суммарный коэффициент естественной освещенности определяется как:

ем =ем. +е0.

Примером для расчета эффективности ПТС может послужить расчет эффективности ПТС в условиях Пензенской области. Моделью помещения может послужить усредненное офисно-административное помещение, которое расположено в глубине здания и не имеет боковых светопрозрачных проемов. Размеры пола 6х8 м, высота потолка составляет 3 м. Чтобы не усложнять расчет, предположим, что помещение расположено прямо под крышей здания, поэтому конструкция световодной системы не будет усложняться. За основу анализа примем, что для естественного освещения используются Solatube® 330 Daylightning System при длине 2,4м.

Исходя из методики предварительного расчета площади верхних световых проемов [8], для обеспечения КЕО=1,8% потребуется 2,4м2 светопрозрачного перекрытия в виде 11 световодов, что составляет 5% площади потолка. Округлим полученное число ПТС до 10 шт. и произведем проверочный расчет КЕО согласно формуле (5). На рисунке 8 представлена схема размещения систем, расчет для точки 1 (т.1) приведен в таблице 3.

г

ж

2

2

п-г

6 м

%--

Т.4 О I О

Т.5 о Ц о

т.6 о я, о

о о

о о

Т _

Рис. 8. План размещения ПТС в помещении

Таблица 3

Определение значения КЕО в расчетных точках помещения_

а, м _ а - Б/2 0\ = аШ , ■ Пф , град а - Б/2 62 = а1% , ■ кф 6/2 еу = 0,56 • 8Ш2(6-) -100 • %

1 22,86 13,77 4,55 0,35

1,66 32,74 25,00 3,87 0,26

2,84 46,00 10,66 2,67 0,12

4,11 55,58 52,06 1,76 0,05

5,41 62,15 59,77 1,19 0,02

1 22,86 13,77 4,55 0,35

1,66 32,74 25,00 3,87 0,26

2,84 46,00 40,66 2,67 0,12

4,11 55,58 52,06 1,76 0,05

5,41 62,15 59,77 1,19 0,02

Итого т1 еМ= 1,61, %

Итого т2 еМ= 2,07, %

Итого т1 еМ= 1,61, %

Итого т2 еМ= 2,07, %

Итого т1 еМ= 1,61, %

Итого т2 еМ= 2,07, %

время су™, ч

Рис. 9. Ход естественной освещенности в зависимоспш от времени суток внутри помещения при КЕО=1,66%

КЕО, %

Рис. 10. Экономия электроэнергии на искусственное освещение в зависимоспш от уровня верхнего естественного освещения

174

6

eср = X ^ /6 = 1,66% i==1

Результирующий КЕО с учетом отраженной составляющей среды удовлетворяет расчеты.

Теперь перейдем к оценке экономической целесообразности применения ПТС, учитывая при этом, что в течение года будет иметь место экономия электроэнергии на искусственном освещении. При общем освещении средняя нормативная освещённость Ен по равна 300 лк. При еср= 1,66% критическая наружная освещённость Екр (т.е. освещённость при которой следует включать и отключать светильники) составит:

£#100 _ 300400 1,66

Екр = -H-= = 18072( лк)

За систему искусственного освещения примем светильники типа Армстронг с люминесцентными лампами Т8 4х18Вт, световой поток лампы равен 1150лм, КПД светильника - 60%.

Таким образом, с учетом коэффициента использования для обеспечения нормативного уровня освещенности потребуется:

Eh- SnK З 300-48- 1,2 ^ N св =-=-= 6светильников

ncd -Флампы- -Nламп 0,6-1150-4

Общая мощность осветительной установки с учетом потерь на ЭПРА составит 475 Вт. Удельный годовой расход электроэнергии на освещение при 8 часовом рабочем дне при 5-ти дневной рабочей недели равен 938 кВтч.

Графики, приведенные на рисунке 9, показывают, что ПТС обеспечивает нормированный уровень общей освещенности лишь семь месяцев в году. Если учесть количество рабочего времени помещения (с 9 утра и до 6 вечера), то за год получится сэкономить 41% электроэнергии, что равно 618кВтч. Снизить электропотребление в системе искусственного освещения в оставшиеся месяцы, когда испытывается недостаток естественного света, можно за счет плавного регулирования искусственного освещения.

Рисунок 10 показывает, что на искусственном освещении возможно сэкономить до 90% энергии, если имеется высокая однородность светораспределения и качество световой среды. Также степень экономии зависит от необходимого уровня общей освещенности помещения.

В заключение хотелось бы отметить, что очевидна целесообразность применения ПТС как дополнительного источника естественного света в светоклиматических условиях Пензенской области. Такое применение повысит качество световой среды помещения, а также поможет снизить затраты ЭЭ на электрическое освещение.

Список литературы

1.Пособие по расчету и проектированию естественного, искусственного и совмещенного освещения (к главе СНиП II-4-79 «Естественное и искусственное освещение») / М.И. Краснов, Н.Н. Киреев, Г.А. Тищенко и др. М.: Стройиздат, 1985. 384 с.

2. Дроздов В.А. Фонари и окна промышленных зданий. М.: Стройиздат, 1972. 331 с.

3. Кузнецов А.Л. Опыт применения полых трубчатых световодов для естественного освещения в России / А.Л. Кузнецов, Е.Ю. Оселедец, А.К. Соловьев, М.В. Столяров // Светотехника. 2011. № 6. С. 4-11.

4.Классификация трубчатых направляющих систем дневного освещения // Кровли. 2010. № 1. С. 2-9.

5.Селянин Ю.Н. Новый способ освещения помещений дневным светом // Информационный бюллетень «Энергосовет». 2020. №6 (11). С. 50-51.

6. Соловьёв А.К. Научные основы повышения энергоэффективности верхнего естественного освещения производственных зданий с применением теории светового поля: дис. ... д-ра технических наук: 05.23.01, 05.23.03 / Соловьев Алексей Кириллович. М., 2011. 270 с.

7. Коржнева Т.Г. Анализ теплопотерь помещений через системы естественного освещения / Т.Г. Коржне-ва, В.Я. Ушаков, А.Т. Овчаров // Известия ТПУ, 2023. Т. 322. № 4. С. 56-60.

8. Соловьёв А.К. Полые трубчатые световоды: их применение для естественного освещения зданий и экономия энергии // Светотехника. 2021. № 5. С. 41-47.

9.СП 23-102-2003. Естественное освещение жилых и общественных зданий. М.: Госстрой России, 2005.

82 с.

Зайцев Виталий Андреевич, студент, Россия, Пенза, Пензенский государственный университет,

Минаков Евгений Иванович, д-р техн. наук, профессор, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Земцова Ольга Григорьевна, канд. техн. наук, доцент, Россия, Пенза, Пензенский государственный университет архитектуры и строительства,

Елистратова Анна Григорьевна, старший преподаватель, Россия, Пенза, Пензенский государственный университет,

Углов Владимир Александрович, курсант, Россия, Пенза, Филиал Военной академии материально-технического обеспечения (г. Пенза)

INFLUENCE OF HOLLOW TUBULAR FIELD GUIDES ON THE LIGHT AND THERMAL CONDITIONS OF ROOMS

V.A. Zaitsev, O.G. Zemtsova, A.G. Elistratova, E.I. Minakov, V.A. Uglov

175

An effective solution to bring natural light into deep rooms was the use of an overhead lighting system. In particular, the use of hollow tubular light guides (HTC) is a rapidly progressing method of natural lighting ofpremises. Installed on the roof or walls of an object, the PTS receives natural light, then passes it into the premises using elbow sections of pipes, the inner surface of which is covered with a film with a high reflectivity. The feasibility of using PTS as an additional source of natural light in the light-climatic conditions of the Penza region is obvious. Such an application will improve the quality of the light environment of the room, and will also help reduce energy costs for electric lighting.

Key words: hollow tubular light guide, buildings, dependence, coefficient, lighting.

Zaitsev Vitaly Andreevich, student, Russia, Penza, Penza State University,

Minakov Evgeny Ivanovich, doctor of technical sciences, professor, Russia, Tula, Tula State University,

Zemtsova Olga Grigoryevna, candidate of technical sciences, docent, Russia, Penza, Penza State University of Architecture and Construction,

Elistratova Anna Grigoryevna, senior lecturer, Russia, Penza, Penza State University,

Uglov Vladimir Aleksandrovoch, branch cadet, Penza, Russia, Branch of the Military Academy of Logistics (Penza)

УДК 004

Б01: 10.24412/2071 -6168-2024-4-176-177

ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА С ФУНКЦИЕЙ МЕЖСЕТЕВОГО ЭКРАНИРОВАНИЯ

Е.С. Угланова, Е.Н. Пальчун

Рассмотрены характеристики популярных российских технических средств, обеспечивающих функцию межсетевого экранирования. Проведен сравнительный анализ, выявлены преимущества и недостатки каждого технического средства.

Ключевые слова: средство межсетевого экранирования, АПКШ «Континент», изделие «УШБ «UserGate», сертификат соответствия, сравнение.

Главной задачей средств межсетевого экранирования является контроль доступа к сети и определение данных, которые могу проходить в сеть и выходить из нее. Межсетевое экранирование применяется чуть ли не в каждой системе защиты информации.

Аппаратно-программный комплекс шлюзов «Континент» версии 3.9 (далее - АПКШ «Континент») сертифицирован федеральной службой по техническому и транспортному контролю (далее - ФСТЭК России) - сертификат № СФ/124-4804 от 15.03.2024 года и федеральной службой безопасности Российской Федерации (ФСБ России) - сертификат № 4145 от 17.07.2019 года. Сертификат ФСТЭК России подтверждает соответствие изделия требованиям к средствам криптографической защиты информации классов КС2 и КС3. Сертификат ФСБ России подтверждает соответствие изделия требованиям руководящих документов к 3 уровню доверия, профилю защиты межсетевых экранов типа А третьего класса защиты, требованиям к системам обнаружения вторжений 3 класса защиты.

Изделие «Универсальный шлюз безопасности «UserGate ОТМ» (далее - изделие «УШБ «ШегОа1е») сертифицирован ФСТЭК России - сертификат № 3905 от 26.03.2018 года. Сертификат ФСТЭК России подтверждает соответствие изделия требованиям руководящих документов к 4 уровню доверия, профилю защиты межсетевых экранов типа А четвертого класса защиты, типа Б четвертого класса защиты, типа Д четвертого класса защиты, требованиям к системам обнаружения вторжений 4 класса защиты.

Оба технических средства имеют запись в реестре российского программного обеспечения. АПКШ «Континент» - регистрационный номер программного обеспечения 310; изделие «УШБ «UserGate» - регистрационный номер программного обеспечения 1194.

В таблице произведено сравнение характеристик средств межсетевого экранирования: АПКШ «Континент» и изделия «УШБ «UserGate».

Сравнение характеристик средств межсетевого экранирования

№ п/п Критерии сравнения АПКШ «Континент» Изделие «УШБ «и$егСа!е»

1. Производитель ООО «Код Безопасности» ООО «Юзергейт»

2. Стоимость решения 909 090 руб/шт. 689 000 руб/шт. (без доп. опций, не в кластере)

3. Заявленные производителем функции - криптографическая защита данных, передаваемых по каналам связи общих сетей передачи данных между составными частями VPN; - безопасность сети и защита от сетевых угроз - межсетевое экранирование; - обнаружение и предотвращение