Технология Solatube®: перспективы для архитектуры и строительства в России

А.Т. Овчаров, профессор Томского архитектурно-строительного университета, директор ООО «Световые системы», г. Томск
Ю.Н. Селянин, генеральный директор ООО «Солар», г. Краснодар

Эффективное использование естественного света в зданиях в настоящее время рассматривается как мощный резерв энерго- и ресурсосбережения. Вектор общемировых тенденций в освещении ориентирован на комфортную световую среду и дальнейший рост производства и потребления световой энергии. 

В такой ситуации избежать конфликта между стремлением человека к световому комфорту и энергетическим кризисом возможно только путем безальтернативного перехода на энергосберегающие технологии, на использование альтернативных источников энергии [1,2]. Здесь актуальны техника и технологии использования естественного света, ярким представителем которых являются полые трубчатые световоды (ПТС).

Полые световоды в системах общего освещения в России постепенно начинают утверждаться как эффективные технологии энергосбережения и создания световой среды высокого качества. На отечественном рынке естественного освещения ПТС представлены несколькими зарубежными фирмами: система Solatube® Daylighting Systems американской (США) компании Solatube International Inc. [3], система Solarspot® итальянской компании Solarspot International S.r.l. [4-6] и система ALLUX чешской компании Lightway [7].

Значительную долю мирового рынка (до 80%) занимает продукция фирмы Solatube International Inc. Эффективным стимулом для развития технологий и производства систем Solatube® Daylighting Systems выступает государственная программа США по использованию альтернативных источников энергии. В России возлагаются надежды на действенность предпринимаемых усилий правительства и принятый в 2009г. закон РФ №261-ФЗ «Об энергосбережении и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации», а также на подвижнические усилия наиболее прогрессивной части профессионалов строительного рынка.

Современные осветительные системы естественного света (ЕО) на основе ПТС ведущих фирм мира доведены до высокого уровня совершенства и укомплектованы опциями для создания комфортного светового климата в помещении. Следует отметить конструктивное подобие и примерно одинаковый уровень технического совершенства и опций систем. В этой ситуации лидерство на рынке систем ЕО будут определяться преимуществами технологического, эксплуатационного и ценового порядка.

Общая схема построения и принцип действия систем ЕО на основе ПТС разных производителей подобны, однако существенные конструктивные особенности позволяют обратить внимание на системы Solatube® Daylighting Systems(Solatube®). На примере системы Solatube® представим основные конструктивные элементы:

• светособирающий купол (светоприемное устройство) из ударопрочного акрила, располагаемый на крыше или на стене здания; купол имеет на внутренней поверхности насечки, благодаря чему приобретает свойства линзы Френеля, направляющей диффузный свет неба вдоль оси световода, уменьшая количество отражений и повышая эффективность передачи света при транспортировке;

• флешинг, бесшовный металлический адаптер под различные типы кровли с защитным покрытием, обеспечивающий сопряжение конструкции ПТС с крышей и надежную гидро- и термоизоляцию;

• световод, набор стыкуемых алюминиевых труб прямолинейной или изогнутой формы, покрытых изнутри многослойной полимерной пленкой с коэффициентом отражения 99,7% во всем диапазоне видимого излучения; свет от приемного устройства, пройдя в результате многократных отражений через полость световода, поступает в освещаемое помещение через светорассеивающий диффузор; форма и конструкция труб позволяют легко интегрироваться в архитектуру строений различного назначения;

• диффузор (светорассеиватель) с широкой КСС, устанавливаемый в потолке помещения и обеспечивающий равномерное рассеяние естественного света в помещении.

ПТС обеспечивают помещения естественным светом, создавая необходимый уровень КЕО и более равномерное распределение освещенности по всей площади помещения, чем с помощью традиционных вертикальных светопроемов (боковых окон) (рис.выше). Высокий коэффициент отражения (передачи света) ПТС допускает транспортировку света на расстояние более 20м и освещение помещений, недоступных для традиционных технологий (подвалы, центральные помещения широких зданий, находящиеся на нижних этажах и пр.). Благодаря высокому качеству материалов и узлов современные ПТС имеют КПД передачи света до 99%, при общем КПД системы до 83%.

Существенным преимуществом ПТС (Solatube®) перед традиционными светопроемами является значительное снижение теплопотерь в холодные периоды года и теплопоступлений в летнее время. Этим достигается дополнительная экономия энергии на отопление, вентиляцию и охлаждение помещений.

Но их главный экономический плюс – снижение затрат на электрическое искусственное освещение помещений. Использование естественного света как альтернативы искусственному в дневное время в зависимости от ресурса солнечной энергии региона позволяет снизить затраты на освещение на 50 - 75%. Оценки эффективности систем показывают, что передавать солнечное излучение во внутреннее пространство помещения в 50 раз более экономично, чем создавать для этого искусственное освещение. Расчетные оценки показывают, что продление использования естественного света на 1 час в течение суток только по промышленным зданиям позволяет в масштабе России сэкономить около 3 млн. кВт*ч ЭЭ в год.

Современные эффективные системы ПТСменяют традиционные представления об организации ЕО помещений и в силу своих уникальных свойств начинают влиять на архитектуру и современное строительство. В контексте оптимизации энергозатрат и повышения однородности световой среды помещения использование ПТС в качестве основного или дополнительного источника ЕО представляется наиболее эффективным [8]. Световая эффективность ПТС в сравнении с традиционными световыми конструкциями (зенитные фонари, вертикальные окна) в 2-3 раза выше.

История создания и развития, принцип действия и концепция архитектуры ПТС исчерпывающе изложена в книге Ю.Б. Айзенберга [9]. В настоящей статье представлена информация о системе ЕО Solatube®, полезная для проектировщиков и потенциальных заказчиков и перспективы их применения в России. Типоряд ПТСSolatube®, отражает этапы развития конструкции и производства и представлен моделями Solatube® DaylightingSystems серии BrightenUp® различного диаметра световодной трубы 160 DS (250мм), 290 DS (350мм), серии SolaMaster® (530мм) и Solatube® М74 серии SkyVault (740мм).

Первые три модели, представляющие собой традиционную конструкцию ПТС, легли в основу создания новой, более совершенной модели М74 серии SkyVault с рекордными параметрами, открывающей новые возможности в развитии технологии ЕО и расширяющей масштабы применения ПТС.

Отличительная особенность моделей Solatube®перед аналогами других производителей - непревзойденное значение отражательной способности покрытия трубы. Используемое покрытие Spectralight^® Infinity имеет коэффициент отражения для всего видимого диапазона оптического излучения до 99,7%. Важным конструктивным отличием Solatube® от ПТС других производителей является применение линз Френеля в устройстве светособирающего купола (Raybender® 3000), что обеспечивает устойчивые нормированные световые характеристики системы на уровне предельно достижимых для современных материалов.

Особое внимание следует уделить последней модели М74 (серия SkyVault), которую смело можно отнести к зенитным фонарям нового поколения. Модель Solatube® М74 содержит несколько прогрессивных решений, среди которых некоторые можно назвать революционными. На рисунке схематично показаны основные элементы системы.

Первое среди таких решений – это использование светособирающего коллектора (см.фото), значительно расширяющего зону захвата и втрое увеличивающего эффективность сбора света.

В коллекторе применена отражающая пластина LightTracker™ (LITD^®) с отражающим покрытием Spectralight^® Infinity и технология «холодного световода», благодаря которой, отсекается тепловая ИК составляющая солнечного света. Защита помещения от ИК излучения продолжается на всем пути транспортировки света по световоду благодаря технологии «холодной трубы». Суть технологии в том, что материал отражающего покрытия Spectralight^® Infinity работает по принципу оптического фильтра. Обладая высокой отражающей способностью для видимого излучения в диапазоне 400-830нм, обеспечивает эффективную транспортировку его по световоду, но прозрачен для ИК излучения, которое, проникая через покрытие до металла трубы, поглощается им и рассеивается в окружающем пространстве вне освещаемого помещения.

Следующее прогрессивное решение – усилитель (коллиматор) света. Это конусообразный элемент на конце световода, который фокусирует световой поток на плоскость диффузора, увеличивая (примерно на 15 – 16%) долю проходящего через него света. Модульная конструкция систем Solatube® М74 серии SkyVault открывает широкие возможности применения таких ПТС для решения задач эффективного ЕО помещений больших площадей с высокими потолками от 6 до 30метров (см.фото ниже). Комплектация систем серии SkyVault подбирается индивидуально под проект. Несмотря на объемность конструкции, системы легки, просты в установке и не требуют последующего обслуживания. 

Таблица 1. Варианты исполнения и комплектации системы Solatube® М 74

A. Базовая модель Solatube® M 74	B. Система Solatube® M 74 с усилителем светового потока	C. Система Solatube® M 74 с коллектором	D. Система Solatube® M 74 с коллектором и усилителем
Классический вариант: купол, бордюрный флешинг, ПТС, призматический диффузор; диаметр световода - 740мм; рекомендуемая высота установки диффузора - 5 - 8м; средний световой поток - 18500лм.	• увеличивает на 15-16% световой поток; • способствует формированию оптимальной КСС диффузора и эффективному применению при любой высоте установки; высота установки диффузора: от 8м; высота усилителя -600мм; диаметр диффузора усилителя - 949мм; средний световой поток - 21500лм.	• расширяет зону и втрое повышает эффективность сбора света, в том числе при низком солнцестоянии; высота коллектора - 1067мм. рекомендуемая высота установки диффузора - от 8м. средний световой поток - 35000лм.	Интегрированная конструкция, объединяющая достоинства предыдущих моделей: A, B, C.

Таблица 2. Сравнительные показатели системы Solatube® и искусственных ИС (критерий – световой поток)

Модель Solatube®	Световой поток*, лм	Аналог - искусственный источник света**
Система Solatube®, серия SolaMaster® (530мм)	от 13500 (средний) - до 20500 (макс)	Аналоги: • светильник с МГЛ 150 – 250Вт; три двухламповых светильника с лампами Т8, 36Вт; четыре четырехламповых светильника типа «Армстронг» с лампами Т5, 14Вт.
Система Solatube®, серия Brighten Up® 290 DS (350мм)	от 6000 (средний) до 9100 (макс)	Аналог: два четырехламповых светильника типа «Армстронг» с лампами Т5, 14Вт.
Система Solatube®, серия Brighten Up® 160 DS (250мм)	от 3000 (средний) до 4600 (макс)	• четырехламповый светильник типа «Армстронг» с лампами Т5, 14Вт. светильник с четырьмя КЛЛ, 18Вт.
Система Solatube® М 74, серия SkyVault	от 18000 (средний) до 35000 (макс)	Аналог: светильник с МГЛ 250 - 400Вт;
Значения светового потока разрядных ламп
МГЛ ВД: 150Вт-11250лм 250Вт-20000лм 400Вт-35000лм		Люминесцентные лампы: Т-5: 14Вт Ф=1200лм 28Вт Ф=2600лм. Т-8: 18Вт Ф=1350лм. 36Вт Ф=3350лм. КЛЛ 18Вт Ф = 1100 - 1200лм
Примечание; * данные для системы Solatube® с длиной трубы 1,82м. Предельное и среднее значения светового потока получены в пиковый световой период года. ** Световой КПД светильника принят равным 0,75.

Освещаемая площадь помещения (приблизительно) для нормативного КЕО и типового помещения (средняя длина световода 1.82м, высота потолка 2.4м):

система Solatube®160 DS (250мм) - до 14м². система Solatube® 290 DS (350мм) - до 23м². система Solatube® 21-O/21-C (530мм) – до 37м². система Solatube® М74 (740мм) - до 100 м² (при высоте установки 6м)

Сравнение оптических и теплотехнических характеристик системы Solatube® и традиционного окна, являющегося ее прототипом, дает основание утверждать, что мы имеем дело с принципиально новой технологией, которая позволяет устранить противоречие между светопередачей и теплопроводностью. 

Система Solatube® (таблица 3) в отличие от традиционных способов передачи света обеспечивает эффективную передачу света с минимальным притоком солнечного тепла, создавая комфортную среду в помещении.

Таблица 3. Сравнительные оптические и теплотехнические характеристики светопередающих систем

Конструкция светопередающей системы	Коэффициент светопередачи, ηv, отн.ед.	Коэффициент теплопритока, кQ, отн.ед.	Отношение ηv/ кQ
Окно, тройной стеклопакет с зеркальной пленкой	0,22	0,16	1,38
Окно, тройной стеклопакет, зеркальное покрытие с низкой теплопроводностью	0,63	0,36	1,75
Окно, двойной стеклопакет, стекло с низкой теплоотражающей способностью	0,71	0,49	1,45
Solatube®серии SolaMaster® (530мм)	0,60	0,20	3,0

Эксплуатационные и инвестиционные характеристики.

Система Solatube® сконструирована герметичной. Все узлы (купол, флэшинг, система световодов, диффузор-рассеиватель) имеют уплотнения, препятствующие проникновению в них насекомых и пыли. В отличие от зенитных фонарей, система Solatube® не нуждается в регулярном обслуживании.

Срок окупаемости системы Solatube® - от 3 до 5 лет.

Срок гарантии системы - 10 лет.

Срок службы системы - 30 лет.

Области применения систем Solatube^®.

Системы Solatube^® относятся к разряду «зеленых»(экологически чистых) технологий, здания ими оснащенные, соответствуют требованиям СП 52.13330.2011, СанПиН 2.2.1/2.1.1.1278-03, ФЗ №261 от 23.11.09г. (гл.3, ст.11) и переходят в разряд энергоэффективных и экологически безопасных. Энергосберегающая, экологически чистая технология передачи естественного света Solatube^® обеспечивает достижение эстетических, функциональных и экологических целей освещения в интерьере.

Применение систем Solatube^® вофисах, зданиях промышленного назначения и складах наряду с достижением существенной экономии затрат на освещение, привносит важнейший по значимости социальный и гуманитарный эффект, формируя здоровую и экологически безопасную световую среду для производственного процесса. Поскольку факторы гуманизации производственной световой среды ориентированы на экономическое благополучие предприятия [10], они способствуют капитализации инвестиционных средств, вложенных в модернизацию осветительных систем с использованием ПТС, и окупаются в течение 4-5-ти лет. В настоящее время проектные организации начали активно разрабатывать архитектурно-планировочные решения с использованием систем Solatube^®, что позволяет в полной мере реализовать требования СанПиН по организации ЕО.

Важной областью применения систем Solatube^® являются социальные объекты (здания дошкольных и школьных учебных заведений, больниц), где в полной мере используются его гуманитарные свойства, позволяющие обеспечить полный световой комфорт и безопасность (см.фото).

Активный процесс урбанизации настоятельно требует принятия кардинальных мер по оздоровлению городской среды. Одним из путей устранения назревающего экологического кризиса является создание подземной инфраструктуры. Решить эту задачу без больших энергозатрат возможно только благодаря применению технологии ПТС. Например, системы Solatube® освещают подземные классы Правовой академии, г.Нижний Новгород, подземный автосервис автосалона «КИА», г. Сочи, (см.фото).

Привлекательной областью применения Solatube^® являются спортивные сооружения [3]. Впечатляющий пример масштабного использования системы в спортивном зале Пекинского Научно-технического университета, где по программе Олимпиады - 2008 проходили соревнования по дзюдо и тхэквондо (см.фото). Поскольку традиционные зенитные фонари не обеспечивали выполнения требований по качеству освещения, спортивный зал был освещен системами Solatube^®. Система Solatube^® полностью оправдала возложенные на нее надежды, решив в комплексе все проблемы освещения, включая сложность конструкции стальной кровли и необходимость передачи солнечного света на расстояние более 8м.

За прошедшие 10 лет, в течение которых компания «СОЛАР», являясь представителем технологии Solatube® Daylighting Systems, выполнила множество установок систем Solatube^® на зданиях различного назначения от частных жилых домов до крупных промышленных и социальных объектов на обширной территории от Санкт-Петербурга до Владивостока, от Москвы до Алма-Аты. Это стало возможным, благодаря активному участию в этом процессе заинтересованных профессионалов в различных уголках постсоветского пространства. В настоящее время технология Solatube® Daylighting Systems представлена на обширной территории крупнейшей в мире дилерской сетью (см.фото). Такое организационное построение позволяет клиентам на любой территории получать оперативное информационное и техническое обслуживание.

Рекордные оптические и теплотехнические характеристики системы Solatube® прогнозируют их широкое использование для задач ЕО. Несомненно, прогресс в интерьерном освещении, повышении энергоэффективности осветительных систем и развитие эстетических концепций в будущем будут определяться применением систем ЕО на базе ПТС. Полагаем, что системы Solatube® займут в этих прогнозах достойное место.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.

1. Айзенберг Ю.Б. Полые световоды, или свет по трубам.//Иллюминатор.-2003.-№4(6)-5(7).-С.134-141.

2. Кинней Л., Мак-Клюни Р., Стайлз М. Солнечное освещение – новая отрасль промышленности. //Светотехника.–1999.– № 3. – С. 4–9.

3. Ю.Н. Селянин, А.Н. Ремизов, А.Н. Добровольский. Системы солнечного освещения Solatube® DaylightingSystems в архитектуре спортивных сооружений третьего тысячелетия. //Технологии строительства -2012. - №3. С. 80-86.

4. Дж. Бракале. Естественное освещение помещений с помощью новой пассивной световодной системы «Solarspot». // Светотехника. – 2005.– № 5. – С. 34–42.

5.Соловьев А.К. Полые трубчатые световоды: их применение для естественного освещения зданий и экономия энергии // Светотехника.–2011.– № 5. – С. 41–47.

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

7. http://lightway.iricond.ru/

8. Дженкинс Д., Мунир Т. Характеристики световодов и светопроемов, используемых в системах естественного освещения. //Светотехника.–2003.– № 6. – С. 34–38.

9. J.B.Aizenberg. Hollow Light Guides. Moscow, Publishing House «Znack». 2009. 208pp

10. Кинней Л., Мак-Клюни Р., Стайлз М. Солнечное освещение – новая отрасль промышленности. Дискуссия. //Светотехника.–1999.– № 4. – С. 28–29.

УДК 628.92

Аннотация

Рассмотрены системы естественного освещения Solatube® Daylighting Systems в контексте решения задач энергосбережения в освещении и формирования световой среды высокого качества. Описана новая модель с высокими потребительскими параметрами, представленная в качестве перспективного технического решения задач эффективного естественного освещения помещений больших площадей с высокими потолками от 6 до 30метров.

Аnnotation

The systems of natural lighting Solatube® Daylighting Systems in the context of solving the problems of energy saving in lighting and the formation of the light environment of the highest quality. We describe a new model with high consumer parameters , presented as a promising technological solution of problems of effective natural lighting of large areas with high ceilings of 6 to 30metrov.

Ключевые слова: полые трубчатые световоды, естественное освещение, энергосбережение

Keywords:hollow tubular skylights , natural lighting , energy saving