Системы естественного освещения: основные критерии, примеры внедрения и расчета

Естественное освещение. Оно замечательно уже тем, что ничего не стоит. При этом наша главная задача — уметь управлять им. Поскольку одной из самых обсуждаемых тем в мире является глобальное потепление и колоссальные выбросы углекислого газа, внедрение энергосберегающих систем сейчас стало особенно актуальным.

Наша Лаборатория находится в Австрии, недалеко от Инсбрука, существует с 1976 г. и насчитывает сейчас более 50 сотрудников. Лаборатория света Бартенбах — независимое бюро, которое занимается проектированием, но не производством систем освещения.

В 2003 г. была основана Академия света Бартенбах. После успешного двухгодичного обучения новоиспеченные специалисты получают государственные дипломы об окончании этого заведения и степень Master of light and lighting («Магистр в сфере освещения»).

Благодаря собственному на­уч­но-техническому отделу мы детально изучаем системы как искусственного, так и естественного освещения. В процессе работы мы визуализируем многие проекты с помощью реальных макетов. Для этого в нашей лаборатории есть мастерская, которая занимается их изготовлением. Для заказчика эта возможность очень важна, поскольку ни красивые фотографии, ни компьютерные визуализации не позволят ему в полной мере оценит ь освещение как внутри здания, так и снаружи.

Кроме того, мы можем показать, каким будет освещение в разное время суток, причем в реальном времени. С этой целью мы используем установку «Искусственное небо» (см. рис. 1). Вместе с макетом эта возможность является дополнительным аргументом для более скорого и, что самое главное для нас, положительного решения.

Еще одним подразделением, входящим в состав нашей лаборатории, является отдел изучения психологии восприятия, где изучаются и анализируются все аспекты восприятия света человеком. Как правило, такие проекты являются государственными и финансируются либо правительством Австрии, либо Евросоюзом.
Первым проектом в области естественного освещения в начале 1980-х гг. для нас стал шанхайский банк в Гонконге (см. рис. 2). Его главной особенностью является то, что дневной свет с помощью огромного отражателя перенаправляется внутрь помещения и через специальные призмы на крыше здания беспрепятственно проходит вниз (см. рис. 3).

Проектирование естественного освещения

Какие критерии являются важными при проектировании естественного освещения? Их много, но основные среди них следующие.
1. Передача максимального количества дневного света в помещение, в котором находится человек.
2. Равномерное распределение света в помещении и практически полный отказ от искусственного освещения в светлое время суток. Отметим, что в одном из крупных проектов мы добились эконо­мии примерно в 300 тыс. евро в год только за счет того, что искусственное освещение не использовалось днем.
3. Необходимо, чтобы в здание не проникало слишком много сол­нечного света. Освещенность рабочего места, например в офисе, должна составлять 300…700 лк. Освещенность на улице в пасмурную погоду составляет порядка 10⁴ лк. Следует постоянно контролировать инфракрасную составляющую солнечного излучения, из-за которой возникает чрезмерная тепловая нагрузка. Наша задача — осветить, но не нагреть. Тщательный расчет системы позволяет летом снизить затраты на энергопотребление, которое расходуется на кондиционеры.
4. Снижение слепящего воздействия света до комфортного уровня.
5. У людей в помещении не должен теряться визуальный контакт с внешней средой, с улицей. Например, если речь идет об окне, необходимо сохранить его основную функцию.

Итак, ключевая проблема не в недостатке, а в излишке дневного освещения. Оно слепит и негативно влияет на работоспособность сотрудников офиса.
Вам знакома такая ситуация? Яркий свет из окна делает информацию на мониторе неразборчивой. (см. рис. 4).

Рис. 4. Типичная ситуация с освещением для многих офисов (фото Петера Бартенбаха)

При защите помещения от яркого света с помощью стандартных методов снижается слепящее воздействие света от окна, но при этом уменьшается уровень естественного освещения внутри комнаты.
В настоящее время известно множество интеллектуальных систем, позволяющих защитить помещение от прямых солнечных лучей и перенаправить рассеянный дневной свет вглубь помещения. Рассмотрим два варианта освещения на примере офиса. На следующем фото (см. рис. 5) — офис с ламелями, которые перенаправляют свет вглубь помещения и снижают слепящее воздействие света от окна.

Рис. 5. Правильно рассчитанное естественное освещение офисного помещения (фото Петера Бартенбаха)

Эта система была разработана в нашей лаборатории и применяется уже давно.
Через потолок, покрытый материалом с высокой степенью отражения, дневной свет перенаправляется вглубь помещения. Потолок с этим же покрытием мы используем для искусственного освещения. Видно, что на потолке нет ни одного светильника — они расположены внизу, благодаря чему искусственный свет падает под тем же углом, что и естественный. Таким образом, было реализовано качественное естественное освещение и одновременно с ним — искусст­венное.

Следующий проект — штаб-квартиры корпорации Гензим (Genzyme), Кембридж, США (см. рис. 6.1). Это здание имеет 13 этажей, фасад полностью остеклен. В центре здания — атриум, который распространяет свет по всему зданию. Для системы естественного освещения мы использовали как фасады, так и собственно атриум, и при этом осветили 90% всех рабочих мест здания. Для бокового освещения использовались уже упомянутые отражающие ламели.

В облачную погоду система функционирует таким образом, что естественный свет перенаправляется вглубь офисов. Если же светит солнце и прямые лучи падают на фасад, система перенаправляет их, пропуская внутрь помещения только необходимую порцию света, не повышая тепловой нагрузки на офисные помещения.
Это здание использует на 42% меньше электроэнергии, чем подобное ему. Мы очень гордимся тем, что оно получило платиновую награду Green Build — наивысшую оценку, свидетельство качественного энергосберегающего проектирования зданий в Америке.
Профессиональный подход к проектированию естественного освещения также внес свою лепту в эти 42%. Благодаря естественному освещению мы снизили, с одной стороны, дополнительное искусственное освещение до минимума, а с другой — добились того, чтобы энергия, потребляемая системой кондиционирования помещений, уменьшилась в разы.
На следующей фотографии (см. рис. 7.1) представлен проект в разрезе. На крыше здания находятся призменные системы, которые перенаправляют свет. Это специальные акриловые платы, выполненные в виде призм. Если солнечные лучи попадают на призму под прямым углом, они отражаются назад. Если же свет падает под иным углом, он проходит через призму и проникает внутрь помещения, рассеиваясь внутри.

Рис. 7.1. Схема передачи света внутрь здания (иллюстрация Академии света Бартенбаха)

Положение подвижных призм оптимизируется в соответствии с перемещением солнца. Работая над проектом, нам хотелось также создать визуально красивое помещение, то есть оживить его изнутри с помощью солнечного света. Мы выполнили не только функциональные задачи, но и оживили помещение за счет достаточного количества солнечного света.
На крыше здания установлены гелиостаты — специальные отражатели, улавливающие солнечный свет и перенаправляющие его на дополнительный отражатель, который, в свою очередь, направляет его внутрь здания. На фото 7.2 — вид здания сверху вниз. Специальные призматические элементы, отражая солнечный свет, распределяют его хаотическим образом, благодаря чему у находящихся в здании людей возникают положительные эмоции даже на первом этаже.

Рис. 7.2. Принцип действия призм, расположенных на крыше здания: рассеянный небесный свет проходит внутрь, а прямые инфракрасные лучи отражаются (фото Петера Бартенбаха)

Заходя в это здание, вы сразу попадаете в уютную атмосферу. Благодаря тому, что атриум оживлен солнечными «зайчиками», не чувствуется, что над вами еще 13 этажей.
Для того чтобы естественный свет максимально эффективно поступал вниз, на стены всех этажей нанесено высокоотражающее (степень отражения более 90%) алюминиевое покрытие, благодаря которому свет не теряется, а максимально эффективно перенаправляется вниз.
Следует заметить, что в следующем проекте мы впервые употребили призматические системы в таком большом количестве — крыша была покрыта ими практически полностью. Это здание немецкого Парламента в Бонне. Видно, как выглядит помещение внутри, его потолок (см. рис. 8).

	Рис. 8.1. Система естественного освещения немецкого Парламента в Бонне (фото Петера Бартенбаха)
	Рис. 8.2. Конструкция светопропускающего потолка (фото Петера Бартенбаха)

Если здания расположены слишком близко друг к другу, то возможность передачи естественного света на первые этажи, выходящие во внутренний двор (см. рис. 9), очень невелика.

Рис. 9. Транспортировка света во внутренний двор зданий, расположенный близко друг к другу (фото Петера Бартенбаха)

В данном проекте, который был выполнен в Мюнхене, одна стена внутреннего двора была полностью покрыта высокоотражающим алюминием, благодаря чему удалось перенаправить дневной свет вниз двора и удвоить уровень освещения.
Эти подвижные ламели (см. рис. 10) тоже следуют за солнцем, поэтому независимо от того, где оно находится, дневной свет отражается вниз двора. Благодаря этому решению у нас появилась возможность осветить офисные помещения на первом этаже таким количеством дневного света, которое отвечает принятым нормам.

Рис. 10. Подвижные ламели (фото Петера Бартенбаха)

Во многих зданиях для передачи внутрь естественного света можно обходиться следующими проемами (см. рис. 11, 12).

Это обыкновенный проем без каких-либо установок. Если в нем укрепить отражатели из алюминия, то количество естественного освещения под этим проемом увеличится в три раза. Так был выполнен проект здания аэропорта Цюриха.
Благодаря отражателям слепящее воздействие не возникало даже под углом — см. вид снизу вверх (рис. 13).

Рис. 13. Вид снизу для передачи света (фото Петера Бартенбаха)

Следующий проект (см. рис. 14) был сдан в прошлом году. Это третий терминал сингапурского аэропорта Чанги. Наша лаборатория занималась как искусственным, так и естественным освещением в рамках данного проекта.

Рис. 14. Третий терминал сингапурского аэропорта Чанги (фото Петера Бартенбаха)

Только благодаря снижению уровня потребления искусственного освещения за год удалось сэкономить более 3 млн кВт электроэнергии. Таким образом, за этот период в атмосферу не поступило 2400 т углекислого газа, выбрасываемого при выработке электричества, или при работе двигателей более чем 900 автомобилей. Это огромное здание. Площадь одной только его крыши занимает более 65 тыс. кв. м.
Архитектурная идея заключалась в создании световых проемов в виде парусов. На основе этой идеи мы попытались реализовать естественное освещение в здании и построили модель для проверки количественных показателей. Макет был выполнен в масштабе 1:33 (см. рис. 15).

Рис. 15. Макет третьего терминала сингапурского аэропорта Чанги (фото Петера Бартенбаха)

Мы проверили его качественные характеристики в установке, имитирующей естественное освещение. Она называется «Искусственное небо» и имеет диаметр 6 м (см. рис. 1). Подобные макеты можно размещать внутри нее и проверять любое освещение, возникающее в светлое время суток. Как уже отмечалось, заказчик может легко и быстро принять решение на основе модели.
На всей площади крыши было установлено более 900 таких прямоугольных проемов (см. рис. 16).

Рис. 16. Прямоугольные проемы для транспортировки света (фото Петера Бартенбаха)

Каждый из них имеет один подвижный элемент, который мы с любовью назвали «крыльями бабочки» благодаря сходству конструкции с крыльями этого насекомого (см. рис. 17).

Рис. 17. Крыша аэропорта с вмонтированными «Крыльями бабочки» (фото Петера Бартенбаха)

Если небо облачное, элемент перпендикулярен к площадке и открыт. Если же прямой солнечный свет попадает на проем, лопасти прикрываются. Даже если солнце стоит высоко и его лучи падают перпендикулярно, «крылья бабочки» раскрыты таким образом, что полностью перекрывают проем (см. рис. 18).

Рис. 18. Транспортировка света в здание аэропорта днем (иллюстрация Академии света Бартенбаха)

Внутри помещения очень светло, поскольку элементы на 20% перфорированы. Определенное количество солнечного света беспрепятственно поступает вниз, создавая оптимальную освещенность внутри помещения. Благодаря этим лопастям мы смогли намного снизить светонагрузку, отразив наружу основное количество прямых солнечных лучей. Конечно, в Сингапуре бывает и темное время суток, когда требуется искусственное освещение. Мы укрепили источники света внутри этого проема (см. рис. 19).

Рис. 19. Транспортировка света в здание аэропорта в темное время суток (иллюстрация Академии света Бартенбаха)

Большим плюсом этого решения является то, что тепловая нагрузка из-за искусственного освещения отсутствует. Техническое обслуживание выполняется очень просто, потому что его можно проводить и снаружи помещения. Чтобы снять слепящее воздействие естественного освещения, перенаправить его вниз, был создан проем параболического типа. В данном случае снова использовалось высокоотражающее свойство алюминия.
На рисунке 20 — устройство параболического проема и крыльев бабочки .

Рис. 20. устройство «крыльев бабочки» (иллюстрация Академии света Бартенбаха)

По фотографиям общего плана видно, что дневное освещение не слепит (см. рис. 21).

Рис. 21. Естественное освещение не слепит (фото Петера Бартенбаха)

Только туда, где внутри здания находится оранжерея с пальмами, поступает дозированный, более яркий солнечный свет (см. рис. 22).

Рис. 22. В оранжерее дозировано увеличено количество естественного света

Лишь некоторые проемы выполняют такую функцию, поскольку мы хотели избежать повышенной светонагрузки. Чтобы чувствовать солнце, светлый день, хорошую погоду, достаточно и этих элементов.
На этом фото видно (см. рис. 23), как небольшая световая труба позволяет освещать, например, подземную парковку. Благодаря этому освещению у человека пропадает ощущение того, что он находится в подземном пространстве.

Рис. 23. Естественное освещение на подземной парковке (фото Петера Бартенбаха)

На рисунке 24 видна верхняя часть световодов, выведенная на улицу.

Рис. 24. Верхняя часть световодов подземной парковки (фото Петера Бартенбаха)

Естественно, мы не можем не рассказать и о тех случаях, когда невозможно использовать дневное освещение внутри зданий. Поэтому мы применяем материалы, которые имитируют дневной свет.
С помощью алюминиевых потолков мы создаем ощущение дневного света, поскольку помещение кажется выше в два раза. Видно, что в такие алюминиевые потолки можно встраивать практически незаметные глазу системы искусственного освещения. Они выполнены на светодиодной основе (см. рис. 25).

Рис. 25. Помещение, освещенное «светодиодным потолком» (фото Петера Бартенбаха)

Такую светодиодную систему мы разработали в лаборатории — через небольшие отверстия диаметром 8 мм можно освещать все помещение (см. рис. 26, 27).

	Рис. 26. Конструкция вторичной оптики «светодиодного потолка» (иллюстрация Академии света Бартенбаха)
	Рис. 27. Визуализация светового потока, формируемого оптикой светодиода (иллюстрация Академии света Бартенбаха)

Разработанные модули используются и для белых потолков: вы видите пример помещения, которое освещено исключительно с помощью светодиодов, работающих в режимах «дневное освещение» и «вечернее освещение». В данном случае важно то, что вечером свет более мягкий и теплый, чем днем (см. рис. 28, 29).

	Рис. 28. Искусственное светодиодное освещение «дневной» цветовой температуры (фото Петера Бартенбаха)
	Рис. 29. Искусственное светодиодное освещение «теплой», вечерней цветовой температуры (фото Петера Бартенбаха)

Таким образом, в помещении, где нет солнечного света, система поддерживает психофизиологический баланс человека, работу его внутренних биологических часов.
Другой вариант — использование не глянцевых и не матовых материалов, а материалов с призменным, зубчатым поперечным сечением. Видно (см. рис. 30), что высота потолка в данном случае невелика, но при первом взгляде кажется, что она намного больше.

Рис. 30. Благодаря специальному покрытию потолка высота помещения визуально увеличивается (фото Петера Бартенбаха)

Светильники расположены на стене. Благодаря микроструктуре потолка свет падает под прямым углом вниз. Положительный эффект от такого освещения в том, что высота помещения кажется намного большей, чем на самом деле.
Что ж, естественно, в рамках одной статьи нам трудно раскрыть все тонкости конструирования и применения систем естественного освещения. Но мы надеемся, у нас еще будет возможность выступить на страницах журнала «Современная светотехника». До новых встреч!

Андреас Данлер, дипломированный инженер-электрик, работает в Лаборатории света Бартенбах (Bartenbach LichtLabor) с 1989 г. До 1998 г. — руководитель отдела проектирования искусственного и естественного освещения. С 1998 г. Андреас отвечает за создание концептуальных дизайнерских идей, консультирует по техническим и инженерным вопросам. В качестве исполнительного директора по световому дизайну с 2003 г. отвечает за управление проектами. С 1998 г. преподавал в Институте интерьерного дизайна Штутгартского Университета. С 2003 г. преподает в Академии света Бартенбаха (Lichtakademie Bartenbach). С 2000 г. проводил семинары по освещению (для Архитектурной штутгартской ассоциации IFBAU, Технического колледжа Аугсбурга и т.д.)

Яна Мазуренко, светодизайнер С 2001 по 2008 гг. — консультант по вопросам освещения, торговый центр Lutz, Австрия. С 2006 по 2008 гг. — Академия света Бартенбаха, диплом MLL (Master of Light and Lighting). С 2008 г. по настоящее время работает в Лаборатории света Бартенбаха, светодизайнер в проектной группе.