Светодиодные светильники в задачах архитектурного освещения. Часть 1

Архитектурное освещение или архитектурная подсветка

Просматривая сайты или каталоги различных производителей светодиодных светильников, приходишь к выводу, что у каждого из них есть своя классификация и свои критерии отнесения конкретного изделия к тому или другому классу. Поэтому попытаемся определить то, что мы будем понимать под термином «архитектурная подсветка» или, по крайней мере, договоримся, что будем иметь в виду под этим термином в рамках данной статьи.

Любые светильники (не только светодиодные) эксплуатируются либо внутри помещений, либо вне помещений, т.е. на улице, под открытым небом. Соответственно, возникает деление на внутреннее и наружное освещение (в англоязычной терминологии — indoor и outdoor). Разумно предположить, что архитектурная подсветка относится исключительно к наружному освещению хотя бы потому, что схожие по функциям светильники, устанавливаемые внутри помещений, относят к интерьерному освещению.

В зависимости от назначения наружное освещение предлагается разделить на четыре основных направления:

– уличное освещение;

– архитектурная подсветка;

– световая реклама;

– ландшафтное освещение.

Остановимся подробнее на каждом из них.

Уличное освещение. Это освещение автодорог, улиц, тротуаров, дворов, парков и т.д. Основная задача — обеспечить необходимый уровень освещенности на поверхности земли в вечернее и ночное время. Светильники для освещения улиц называются уличными фонарями. Технические средства для решения этой задачи достаточно специфичны и заслуживают отдельного анализа, поэтому мы не станем рассматривать уличные
светильники.

Архитектурная подсветка. Основная функция не утилитарная, а декоративно-эстетическая: создать оригинальный облик здания в темное время суток; выгодно подчеркнуть его основные элементы, архитектурные формы и пропорции; создать респектабельный вид и т.д., т.е. не осветить, а именно подсветить. Архитектурная подсветка позволяет освещать и прилегающую территорию, но задача обеспечить необходимый уровень освещенности на поверхности земли в вечернее и ночное время как таковая не ставится или, по крайней мере, не является основной.

Световая реклама. Безусловно, к наружному освещению световая реклама имеет самое непосредственное отношение. Но не к освещению улиц и не к архитектурной подсветке — у нее свои задачи и специфические технические средства (в т.ч. светодиодные) для их решения. Разумно принять этот вид освещения за отдельное направление, не имеющее отношения к архитектурному освещению, и оставить за рамками данной статьи.

Ландшафтное освещение (парки, зеленые зоны). Это своеобразное сочетание уличного и архитектурного освещения. От уличного этому типу освещения досталась утилитарная задача — в вечернее и ночное время должно быть достаточно светло. В то же время дизайн светильников обязан быть изысканнее, чем у уличных фонарей. От архитектурного освещения досталась часть технических средств (прожекторы, тротуарные светильники) и немного методологии (подсветка уникального дерева имеет много общего с подсветкой скульптурных сооружений). Характерная особенность ландшафтного освещения — необходимость более тщательной проработки эстетической, художественной составляющей проекта.

Безусловно, данная классификация имеет достаточно «спорных территорий» и «нейтральных полос». Например, праздничная иллюминация — вроде и сегмент небольшой, и включается всего несколько раз в году, а в классификацию не попадает.

Поначалу договоримся о том, что в рамках данной статьи мы будем понимать под архитектурной подсветкой и, соответственно, для решения каких задач мы будем рассматривать определенные технические средства. Обозначим эти задачи:

– подсветка как отдельных зданий, так и архитектурных комплексов;

– подсветка тротуаров и дорожек (имеются в виду светильники, «запрессованные» в тротуар);

– подсветка фонтанов;

– подсветка мостов;

– подсветка скульптурных сооружений.

Степени защиты светильников от воздействия окружающей среды

Светильники для архитектурной подсветки установлены под открытым небом, т.е. они должны удовлетворять определенным, достаточно жестким, требованиям по климатическим условиям (в частности, температурным) и иметь достаточный уровень защиты от попадания пыли и влаги, что мы рассмотрим ниже. Все эти условия являются необходимыми — если они не реализованы, то речь может идти только об интерьерной подсветке помещений.

Степень защиты светильников от воздействий окружающей среды определяется в соответствии со стандартом ГОСТ 14254-96 и обозначается кодом IP (ingress protection) с указанием двух цифр, первая из которых характеризует защиту светильника от проникновения твердых образований (пыли), а вторая — от попадания воды. Светильники подразделяются:

а) по степени защиты от проникновения твердых образований на:

– IP0x — специальная защита отсутствует;

– IP1x — защита от проникновения твердых тел размером более 50 мм;

– IP2x — защита от проникновения твердых тел размером более 12 мм;

– IP3x — защита от проникновения твердых тел размером более 2,5 мм;

– IP4x — защита от проникновения твердых тел размером более 1 мм;

– IP5x — полная защита от проникновения пыли не обеспечена, но это не нарушает нормальную работу изделия (пылезащищенное изделие);

– IP6x — полная защита от проникновения пыли (пыленепроницаемое изделие).

б) по степени защиты от проникновения воды на:

– IPx0 — специальная защита отсутствует;

– IPx1 — защита от вертикально падающих капель воды;

– IPx2 — защита от вертикально падающих капель воды, когда корпус отклонен на угол до 15°;

– IPx3 — защита от воды, падающей в виде дождя (под углом 60° к вертикали);

– IPx4 — защита от сплошного обрызгивания (со всех сторон);

– IPx5 — защита от водяных струй (с любого направления);

– IPx6 — защита от сильных водяных струй (с любого направления);

– IPx7 — защита от воздействия при временном (непродолжительном) погружении в воду;

– IPx8 — защита от воздействия при продолжительном погружении в воду (герметичное изделие).

Соответственно, светильники со степенью защиты ниже IP54 однозначно не могут применяться в задачах наружного освещения (в частности, в архитектурной подсветке). В зависимости от конкретных условий применения, требования к степени защиты могут повышаться (например, для подводных светильников — это только IP68), а также могут вводиться дополнительные требования (например, по механической прочности для светильников, монтируемых в тротуар).

Отметим, что стандарт ГОСТ 14254-96 представляет собой аутентичный текст международного стандарта МЭК 529:1989. Следовательно, коды IP стандарта МЭК 529:1989 полностью соответствуют кодам IP, принятым в СНГ.

Некоторые замечания о применении светодиодных источников света в светильниках

Для единства терминологии оговорим, что под источником света мы понимаем лампу или, в случае использования светодиодов, — светодиодный модуль. Под светильником — законченное изделие, предлагаемое конечному пользователю.

Безусловно, светодиодные источники света имеют существенно более короткую историю, по сравнению с архитектурной подсветкой как таковой. Тепловые (лампы накаливания) и газоразрядные источники света (люминесцентные лампы, лампы высокого давления) использовались, используются и будут использоваться в дальнейшем как источники света в светильниках архитектурной подсветки. Многие производители для одного и того же корпуса светильника предлагают различные модификации, ориентированные на разные источники света (например, на лампы накаливания, компактные люминесцентные или ртутные лампы, светодиодные) или на их различные исполнения (под цоколь Е27 или Е14).

Сегодня светодиодные источники света развиваются в двух направлениях. Первое — светодиодные модули OEM, т.е. светодиоды, установленные на печатную плату с драйвером или без. Модули устанавливаются в светильник производителем, в дальнейшем не подлежат замене, т.е. являются неотъемлемой частью изделия. Второе — светодиодные лампы со стандартным цоколем (например, E27, GU10, MR16) или форм-фактором (T5, T8, T10). Эти светодиодные лампы позиционируются как прямая замена более традиционных типов ламп. Причем, в случае ламп со стандартным цоколем, светильник при продаже не комплектуется лампой, а сама лампа в процессе эксплуатации может быть заменена на аналогичную или совместимую лампу.

В первом случае каких-то сложностей или проблем не ожидается. Вариант квалифицированной (в кавычках или без) замены светодиодного модуля не рассматриваем, поскольку он не является штатным в оговоренных условиях эксплуатации светильника.

Со вторым случаем сложнее. К примеру, в светильнике предполагалось использовать лампу накаливания мощностью 60 Вт с цоколем E27 . При необходимости лампу можно поменять на аналогичную лампу накаливания. Возможна лишь одна сложность — световой поток такой лампы может, в зависимости от производителя, варьироваться в пределах 450…900 лм. Худшее, что может произойти, — это необходимость подбирать лампу по световому потоку. И только.

Но, допустим, что конечный пользователь обладает широтой мышления и решил «перейти на светодиодное освещение», заменив штатную лампу на светодиодную с цоколем Е27. Светить она будет, но необходимо учесть два соображения.

1. Пусть цоколь стандартный (E27), но в светодиодных лампах (в отличие от ламп накаливания) может сильно различаться диаметр колбы (30…100 мм) и, соответственно, количество установленных светодиодов. Даже в рамках конкретного диаметра 50 мм число светодиодов варьируется в пределах 18—40. Белые светодиоды в ламповом корпусе диаметром 5 мм — продукция более чем массовая. Число их производителей не поддается даже приблизительной оценке. Значения ключевого параметра — силы света — могут быть самыми разными. Заранее предсказать значение светового потока и сопоставить его с прототипом нет никакой возможности.

2. Лампа накаливания излучает во всех направлениях (угол излучения равен 360°). Светодиод излучает в пределах строго определенного телесного угла (для ламповых — 10…120°). Как будет выглядеть кривая силы света (графическое изображение зависимости силы света от направления его распространения) «обновленного» светильника, предсказать заранее невозможно, если, конечно, не считать прогнозом утверждение «она будет совершенно не похожа на прототип».

Есть и другие нюансы, но и перечисленных соображений достаточно для понимания того факта, что прямой замены на светодиодные лампы в архитектурной подсветке не происходит.

Подведем итог. Функциональное назначение светильника, за редким исключением, не предполагает использование какого-то определенного типа источника света. В той же мере один и тот же корпус можно применять в нескольких модификациях светильников, одинаковых по внешнему виду, но различных по используемому источнику света и, следовательно, по внутренней «начинке» (электронным схемам, установочным элементам и пр.). Светотехнические характеристики таких светильников будут также существенно зависеть от источника света. Например, в домашнем освещении лампу накаливания можно без отрицательных последствий заменить на компактную люминесцентную лампу. В архитектурной подсветке замена одного типа источника света на другой недопустима, даже в том случае, если по механическим и электрическим параметрам такая замена возможна.

Функциональное назначение светильников архитектурной подсветки

Мы отмечали, что различные производители предлагают самые разнообразные классификации светильников. При этом основные признаки классификации: по функциональному назначению, по светотехническим характеристикам, по месту установки, по конструктивным признакам — могут смешиваться во всех мыслимых комбинациях. Например, полноцветные светильники, светильники заливного света и подводные светильники. Во избежание хаоса сформулируем три вопроса.

1. Что именно мы намереваемся подсветить или осветить.

2. С какой точки, или где и каким образом светильник будет установлен.

3. Как именно мы собираемся осветить объект.

Что мы намереваемся осветить. Рассмотрим наиболее простой случай — архитектурное здание. Не особенно упрощая, можно выделить три следующих типа объектов:

– вертикальная плоскость, или, условно говоря, «стена» (например, стена, колонна, ограда, бордюр, купол здания, т.е. любая поверхность, которая расположена вертикально или под наклоном).

– горизонтальная поверхность, или «пол», недоступный для освещения снизу. Это пол, дорожка, лестница, по которым ходят люди. Это, например, газон по которому воспитанные люди не ходят, или карниз, подоконник, нижняя плоскость ниши, по которым, как правило, ходят не все люди.

– горизонтальная поверхность, или, условно, «потолок», недоступный для освещения сверху. Это навес, потолок арки, верхняя плоскость ниши и т.д.

С какой точки освещать. В первую очередь, светильник можно расположить на самом здании или вне его. Например, для того чтобы осветить или подсветить стену, светильник можно расположить:

– на самой стене. Его можно непосредственно укрепить на стене, встроить в стену, вынести на консоль (в первом случае весь светильник находится вне стены; во втором — большая его часть находится в стене).

– на «потолке». Светильник укреплен на потолке или встроен в него. Вынос на консоль нецелесообразен.

– на «полу». Аналогично — светильник укреплен на полу или встроен в него.

– Внешнее размещение:

– светильник установлен в относительно удаленной точке на поверхности земли. Свет направлен с наклоном вверх.

– светильник установлен на соседнем здании или на столбе, мачте (например, осветительный фонарь). Свет можно направить с наклоном вверх, вниз или горизонтально, в зависимости от возможностей и поставленной задачи.

– светильник подвешен на тросе. Свет направлен вертикально вниз.

Как именно мы намереваемся осветить объект. Возможные варианты, с функциональной точки зрения: равномерная заливка поверхности светом; формирование яркого пятна на определенном архитектурном элементе; локальная подсветка фрагмента и т.д. С практической точки зрения, это ответы на вопросы:

– какой уровень освещенности необходимо создать на освещаемой поверхности;

– какую площадь необходимо осветить, какую форму должен иметь «рисунок» на поверхности;

– каким цветом освещать объект;

– необходимы ли динамические световые эффекты (например, смена цветов, изменение уровня освещенности, стробоскопические эффекты).

Промежуточный вывод. Большинство производителей старается классифицировать изделия по конструктивному признаку и способу установки. Однако в большинстве случаев имеются различные варианты применения конкретного светильника, в соответствии с которой, возможно, решается не одна функциональная задача. Давайте рассмотрим конкретные типы светильников и обозначим те задачи, которые можно решить с их помощью.

Светодиодные прожекторы

Под прожектором в светотехнике принято понимать световой прибор, перераспределяющий свет лампы. При этом используется рефлектор (зеркальная или зеркально-линзовая оптическая система), которая концентрирует световой поток лампы в ограниченном пространственном угле. Или, другими словами, изменяет диаграмму направленности источника света, создавая направленный пучок света.

Применительно к светодиодным светильникам сказанное выше, в целом, справедливо. Однако светодиоды как источники света обладают определенной особенностью, нехарактерной для ламп традиционного типа. Повторим: традиционные лампы излучают свет во всех направлениях (угол излучения равен 360°), а светодиод — в пределах строго определенного телесного угла. Мощные светодиоды (а именно они, как правило, применяются в светодиодных светильниках) имеют угол излучения около 120° (точнее, 100…130°, в зависимости от конкретной модели и конкретного производителя). Следовательно, нет необходимости в применении рефлектора как отражающей свет системы.

Для создания направленного света (5…50°) используется вторичная оптика. Но это уже не рефлекторы, а коллиматоры, т.е. линзы, собирающие свет в узкий пучок. Заметим, что в оптике коллиматор — это устройство, формирующее узкий параллельный пучок лучей света. В «светодиодных» терминах пучок света не параллельный, а расходящийся (хотя и в пределах узкого угла). Производители вторичной оптики для светодиодов выпускают и рефлекторы, но в прожекторах используются главным образом
коллиматоры.

Для создания широкоугольного (те же 120°) заливающего света вторичная оптика не используется вообще. Формирование пучков света с углом излучения 50…100° в светодиодных прожекторах — задача нетривиальная. Для вторичной оптики — слишком широкие углы, а для мощных светодиодов — наоборот, слишком узкие. Решения есть, но повторим, для светодиодных прожекторов формирование углов излучения 50…100° не является типовым решением.

С точки зрения размещения, прожектор — прибор универсальный: с минимальными затратами фантазии его можно установить как на освещаемом здании (на стене, потолке, полу), так и вне его (на соседнем здании, на мачте, на поверхности земли, подвесить на тросе). Таким образом, при желании прожекторы можно отнести к настенным, потолочным и другим светильникам.

Если исходить из функционального назначения, то прожектор должен освещать значительную по размерам поверхность или формировать яркое, акцентированное пятно на освещаемой поверхности значительных размеров. Таким образом, единственный критерий, по которому светодиодный светильник можно отнести к категории прожекторов — это мощность или, точнее, величина излучаемого светового потока. Его нижний предел можно оценить 500 лм (будет обосновано ниже).

Рис. 1. Основные варианты исполнения светодиодных прожекторов

На рисунке 1 приведены три типовых варианта исполнения светодиодных прожекторов, а именно:

– А — круглый (в англоязычных источниках — round);

– Б — прямоугольный (panel);

– С — линейный (profile или linear). Для прожекторов данного типа также общеупотребительным является термин wall-washer (хотя иногда к этому типу относят и тип panel).

Рис. 2. Примеры возможного применения светодиодных прожекторов

Примеры возможного применения приведены на рисунке 2:

– А — формирование ярких, акцентированных пятен на стене здания. Предложенное решение — прожекторы направленного света типа round (в принципе, тип panel также допустим).

– Б — преимущественно внешнее освещение памятника архитектуры. Прожекторы направленного света (round и panel) расположены на соседнем здании, на мачтах. Прожекторы заливного света, освещающие здание в целом, размещены в пределах ограды на поверхности земли. Отличительная особенность подобных проектов — нежелательность размещения светильников на освещаемом здании.

– В — комплексная подсветка фасада здания. Верхняя кромка здания и стена третьего этажа подсвечиваются линейными прожекторами, расположенными один за другим. Стены первого и второго этажа подсвечиваются светильниками с поверхности тротуара, а скульптурные элементы — светильниками, установленными на балконе второго этажа.

– Г — практически вся подсветка крыши и этажей, начиная со второго, реализована с использованием отдельных линейных прожекторов, установленных на стене между этажами. Подсветка ниш первого этажа — светильниками, встроенными в тротуар.

Таким образом, круглые прожекторы используются для формирования пятна, линейные — для подсветки контура, прямоугольные являются более универсальными, однако, как правило, имеют большие габариты.

Прожекторы выпускаются в монохромном и полноцветном исполнении. Монохромные прожекторы обычно включают в свою номенклатуру белый цвет (с градацией по цветовой температуре: холодный, теплый и, иногда, нормальный); красный; синий; зеленый; редко желтый и еще реже — оранжевый. Полноцветные прожекторы используют либо тройку светодиодов (красный, синий, зеленый — как на приведенном рисунке) с раздельным управлением или полноцветные светодиоды (красный, синий, зеленый в одном корпусе).

Монохромные прожекторы управляются либо дискретно (включен или выключен), либо имеют вход управления интенсивностью излучения (диммирование). Даже если в проекте не используется динамическое изменение яркости, то диммирование так или иначе позволяет регулировать уровень излучения и, следовательно, размер светового пятна непосредственно «по месту». Это, с одной стороны, нивелирует разбежку между отдельными светильниками (а она будет проявляться, в первую очередь, в разном размере пятен), а, с другой стороны, выставляет такие размеры световых пятен, которые дают наилучший эстетический эффект на конкретном объекте.

Полноцветные прожекторы, практически без исключений, имеют возможность диммирования по каждому каналу и управляются по одному из традиционных протоколов (например, DMX или DALI). Фактически, они позволяют не только выставить произвольный цветовой оттенок, но и его интенсивность, а также создавать динамические сценарии управления цветом.

Угол излучения и вторичная оптика, его определяющая. Строго говоря, все значения в диапазоне 5…50° с шагом в 5° не являются экзотическими. Но в большинстве случаев номенклатура конкретного производителя оптики включает три-четыре модификации по каждому изделию. Соответственно, конкретный производитель прожектора также не предложит более широкий ряд модификаций. То есть, в принципе, можно найти прожектор с любым углом излучения, но у конкретного производителя выбор большим не будет.

Число используемых светодиодов в монохромных прожекторах варьируется от 8 до 40. Соответственно, если принять световой поток 1-Вт белого светодиода равным примерно 60 лм, то для светильника из восьми диодов световой поток составит 480 лм (собственно, из этих соображений выше и была названа цифра 500 лм). Существенно ли это?

Рис. 3. Варианты светильников в одном конструктивном исполнении

Обратимся к рисунку 3, на котором представлены три варианта светильников, безусловно, относящихся к одной конструктивной линии: тип А (макси) — 36 светодиодов, тип Б (миди) — 12 и тип В (мини) — 3 светодиода. Вариант А — безусловно, прожектор; вариант В, несмотря на конструктивную схожесть, — не более чем настенный светильник для локальной подсветки локального архитектурного элемента (световой поток примерно 180 лм). Вариант Б — промежуточный: для локальной подсветки он избыточен, при использовании в качестве прожектора для конкретного места он может быть уместнее, чем вариант А.

Другая ситуация представлена на рисунке 4. С одной стороны, представлены прожекторы прямоугольного типа, излучающие белый свет и имеющие по 36 светодиодов (с линзами и без). С другой стороны, производитель позиционирует их в т.ч. как уличные светодиодные светильники, т.е. допускает их применение в другой области. Чуть более 2000 лм для уличного освещения — не большая цифра, но если в конкретных случаях нормативные требования по освещенности удовлетворяются, то этого значения вполне хватает. Диммирование тоже лишним не будет — можно управлять интенсивностью света в зависимости от времени года, времени суток, уровня естественного освещения, например.

Рис. 4. Прожектор для уличного освещения

Иными словами, граница между прожекторами и настенными (потолочными) светильниками, прожекторами и уличными светильниками весьма и весьма условна. Критерием может быть только значение светового потока, однако значения нижнего и, тем более, верхнего предела относительны.

Некоторые требования к материалам и конструкции. Корпус в подавляющем большинстве случаев — алюминий или нержавеющая сталь. Так или иначе, это металл, стойкий к воздействию коррозии. В линейных прожекторах часто используют готовый профиль ребристого радиатора, который закрывается с торцов боковой крышкой с герметизирующей прокладкой. В прожекторах panel и round типичное решение — «коробка» из алюминия (литье под давлением), которая закрывается с лицевой стороны металлической крышкой с защитным стеклом. Часто используются декоративная панель, в которой прорезаны отверстия, оставляющие открытыми только светодиоды и линзы. Какого-то функционального назначения эта панель не несет, но на лицевой стороне платы могут быть установлены электронные компоненты, возможен монтаж проводами и т.д. По сути, панель закрывает «технологию» от глаз потребителя.

Защитное стекло выполняется из прозрачного и ударопрочного материала (например, из поликарбоната или полиметилметакрилата). Отметим, что стык между стеклом и корпусом должен быть герметизирован, что достигается либо с помощью прокладки из прорезиненного материала, стойкого к климатическим воздействиям, либо за счет герметика.

Конструкция крепления прожектора к поверхности крепления может быть различным. Требуемое направление света задается с помощью регулировочных винтов. Обычно необходимо обеспечить поворот в пределах –90…90°, если прожектор крепится к стене, но если он крепится к вынесенной консоли, то, возможно, потребуется поворот и на большие углы. Источник питания и светодиодный драйвер, как правило, размещены внутри прожектора. Провода выводятся либо через герметизированный разъем (в варианте A на рисунке провод и разъем не показаны), либо проходить по опоре (как в вариантах Б и В).

Категория защиты от воздействий окружающей среды обычно не хуже, чем IP65. В отдельных случаях (например, установка прожектора на потолке навеса или на верхней поверхности достаточно глубокой ниши, т.е. там, где прямое воздействие дождя исключено, — можно применить исполнение IP64).

Во второй части этой статьи, которая в силу известных ограничений на объем публикуемых материалов появится в следующем номере журнала, будут рассмотрены различные типы светильников (настенные, встраиваемые, потолочные) и круг решаемых ими задач, а также такие важные для разработчика вопросы как выбор элементной базы и поставщика.