SYSTEMATIZATION OF TYPES OF BUILDINGS NATURAL LIGHTING

Full Text

Вопросы эффективности использования энергетических ресурсов в последнее время стоят очень остро во всем мире. Эта тема активно обсуждается и в России, находя развитие в государственных программах различного уровня. На искусственное освещение приходится значительная часть затрат в строительной сфере, и потенциал экономии данного вида ресурсов очень высок. Широкое использование естественного освещения - это способ значительно экономить, создавая одновременно с этим комфортную среду для людей, которые находятся в зданиях [1, 2]. Свет необходим для обеспечения требуемых параметров микроклимата в помещении, он оказывает благоприятное психофизиологическое воздействие на человека, решает эстетические и утилитарные задачи (обеспечение продолжительности инсоляции, нормативного значения освещенности пространства) [3, 4]. Существуют следующие виды освещения: боковое, верхнее и комбинированное. Использование того или иного вида освещения в зданиях и сооружениях зависит от большого числа различных внешних и внутренних факторов [5]. К ним относятся: природно-климатические условия, внешний контекст местности (природное или городское окружение), архитектурное решение, режим эксплуатации объекта и многое другое. В зарубежной практике проектирования и строительства можно встретить интересные архитектурные и конструктивные решения, приводящие к более эффективному использованию естественного освещения. Эти решения, к сожалению, обычно связаны с удорожанием проекта на стадии проектирования и строительства, увеличением сроков окупаемости проекта, что снижает заинтересованность заказчиков в данных мероприятиях [6]. Повсеместно можно наблюдать - как по мере Н. А. Калинкина, И. В. Жданова, А. А. Кузнецова 125 Градостроительство и архитектура | 2019 | Т. 9, № 4 развития техники и технологий, совершенствования материалов не происходит модернизация принципов освещения помещений. Рассмотрим варианты и приемы освещения зданий естественным светом [7, 8]. Боковое освещение - это освещение через оконные проемы, находящиеся на фасаде здания. Это самый распространенный вид освещения во всем мире. Это единственное решение, где расположение светопрозрачных конструкций позволяет обеспечить людям визуальную связь с «внешней средой». У данного типа освещения есть целый ряд ограничений и минусов в применении: отсутствие солнечного света в глубине зданий, недостаточная инсоляция в помещениях, ориентированных на север; переизбыток света и тепла в помещениях с южной ориентацией; высокие теплопотери (до 20 % от общих потерь здания) [9, 10]. Грамотная ориентация окон, безусловно, может свести к минимуму переосвещенность и перегрев в помещениях, но вопрос освещения «глубинных» помещений или пространств, не имеющих в качестве ограждений наружную стену, таким образом решить невозможно. В работе не рассматриваются варианты организации двустороннего, многосторонненего или кругового освещения помещений, поскольку это является частным случаем и проблем с доступностью солнечного света в данных пространствах нет. Для увеличения глубины проникновения естественного освещения через оконные проемы в стене зданий можно использовать «световые полки» (рис.1) - горизонтальные поверхности, которые перенаправляют свет вглубь помещения. В пререраспределении света участвует и потолок, поэтому все элементы должны быть отделаны материалами с высоким коэффициентом отражения. Большую роль при использовании этого приема освещения играет ориентация проемов, которая позволяет существенно увеличить количество проникающих лучей. При этом существует целый ряд требований, обеспечивающих эффективность подобного решения: окна должны располагаться максимально близко к потолку, на световой полке должны отсутствовать загрязнения, снижающие ее отражающую способность. При этом увеличение глубины проникновения света в помещении будет не столь уж значительным. Для существенного повышения глубины проникновения естественного света в помещения потребуется значительное увеличение оконных проемов, но такой путь, во-первых, не всегда возможен с архитектурно-технологических и конструктивных точек зрения, во-вторых, приводит к росту теплопотерь и неравномерности освещения. Таким образом, более эффективным способом освещения «глубинных» пространств зданий будет применение комбинированного (бокового и верхнего) или верхнего освещения [11, 12]. Самым распространенным типом верхнего освещения является фонарь. Фонари достаточно часто используются для освещения общественных и производственных зданий. Существует большое количество видов фонарей, отличающихся по форме и конструктивному решению, но они всегда располагаются на крышах, в связи с чем имеют свои плюсы и минусы. Положительными моментами верхнего освещения можно считать возможность обеспечить естественным светом помещения или их зоны, в которых нет возможности обеспечить его при боковом освещении, так называемые «трудноосвещаемые» пространства [13, 14]. К минусам можно отнести: снижение аэродинамических Рис. 1. Световые полки. Головной офис Министерства энергетики Малайзии Градостроительство и архитектура | 2019 | Т. 9, № 4 126 ГРАДОСТРОИТЕЛЬСТВО. ПЛАНИРОВКА СЕЛЬСКИХ НАСЕЛЕННЫХ ПУНКТОВ свойств зданий, увеличение снеговых нагрузок из-за снеговых мешков, протечки кровли в местах стыков с фонарем, снижение эффективности работы фонаря при низком положении солнца, особенно зимой [3, 15]. Атриумы также можно отнести к одному из архитектурных приемов организации освещения глубинных частей зданий естественным светом (рис. 2). Существует широкая типология атриумов и их деление по различным классификационным признакам, но при проектировании в большинстве случаев они лишь косвенно направлены на решение вопросов естественного освещения в здании, а выступают скорее как архитектурно-композиционный акцент. «Идеальный» атриум участвует в распределении естественного освещения в структуре здания. Он предполагает систему верхнего освещения, обеспечивающего максимальное светопропускание. Солнечный свет, отражаясь от боковых стен, перераспределяется на нижние этажи, обеспечивая «трудноосвещаемые» пространства естественным освещением. При грамотном проектировании и подборе формы атриума и отражающих материалов солнечный свет пройдет по нему как по световоду, распределяясь по уровням. Рациональной считается такая схема организации атриумного пространства, при которой на каждый уровень поступает достаточное для его освещения количество естественного света, а остальная часть перераспределяется дальше на нижележащие этажи. В современном проектировании при грамотном учете всех климатических особенностей места проектирования атриум выступает как активный элемент в программе энергосбережения, участвующий в обеспечении качественного микроклимата в здании [16, 17]. Светопроницаемые покрытия и изделия. К ним можно отнести различные изделия и конструкции из стекла и стеклопластиков (рис. 3). Архитектурные решения, включающие светопрозрачные конструкции, обычно отличаются оригинальностью и образностью решений. Интересно применение этих элементов как в объеме здания, так и в структуре пешеходно-рекреационных пространств. К минусам можно отнести достаточно высокую стоимость элементов. Конструкции «работают» днем для освещения объектов и подземного пространства Рис. 2. Атриум Innovation Tower at the Polytechnic University (Hong Kong), архитектор Zaha Hadid’s Рис. 3. Светопрозрачные изделия Н. А. Калинкина, И. В. Жданова, А. А. Кузнецова 127 Градостроительство и архитектура | 2019 | Т. 9, № 4 естественным светом, а ночью - как элемент подсветки среды, объект искусственного освещения (т. е. свет идет изнутри - наружу) [18]. При большой площади застройки и небольшом количестве этажей достаточно хорошо себя зарекомендовал такой способ естественного освещения, как световые колодцы (рис. 4). Данная технология появилась еще в конце прошлого века и по мере развития и доработки стала набирать популярность. Основные плюсы данной технологии - энергоэффективность, допустимость установки как на крыше, так и на фасаде здания, возможность обеспечивать помещение естественным светом вне зависимости от ориентации самого здания [9, 19]. Энергетическая эффективность связана, во-первых, со строением самого устройства: малая площадь остекления приводит к незначительным потерям тепла. Во-вторых, оно позволяет освещать «глубинные» части здания, допуская возможность проектирования объектов с широким корпусом. Таким образом, данное устройство снижает нагрузку на многие инженерные системы, обеспечивая высокую степень экономии энергоресурсов и абсолютную экологичность. Устройство состоит из коллектора (приемный элемент), трубы (проводящий элемент) и диффузора. Большим плюсом данной системы является использование в структуре коллектора подвижных зеркал, поворачивающихся по мере движения солнца (постоянно ориентированных по солнцу). Свет собирается коллектором в течение всего дня, что позволяет освещать помещения естественным светом от восхода солнца и до его заката. Внутри трубы за счет зеркальных линз свет может рассеиваться или собираться в пучки, менять направление и спектр благодаря включению определенных технических устройств. Оно обеспечивает равномерность освещения, высокое качество цветопередачи и отсутствие пульсации потока. Также в структуру данного устройства может включаться источник искусственного освещения, усиливающий дневной свет или полностью компенсирующий его недостаток в пасмурный день и ночью [20, 21]. К недостаткам данной системы можно отнести: наличие в ее структуре сложной оптической системы, имеющей высокую стоимость; устройство может применяться только в помещениях, где не нужно обеспечивать визуальный контакт человека с окружающей средой. Еще одним весьма существенным минусом системы является необходимость выделения определенного объема в структуре здания на светопроводящую трубу, что существенно влияет на планировочную и инженерно-технологическую структуру объекта. Данная технология уже получила достаточно широкое распространение в зарубежной практике проектирования, но применение в России очень ограниченно [11, 22]. Гибридные системы естественного освещения (рис. 5). Данная технология уже довольно широко представлена «на рынке» и подходит для зданий различного функционального назначения. Система работает идентично «световому колодцу» и предназначена для перенаправления солнечного света и улучшения качества естественного освещения в помещениях. В ее структуру дополнительно включаются солнечные батареи и аккумуляторы, обеспечивающие сбор и накопление солнечной энергии для использования ее в пасмурные дни и ночное время. Электропотребление в зданиях, обеспеченных подобными гибридными системами, снижается до 75 % [23]. Огромное достоинство данной системы в ее автономной работе, активном использовании экологически чистых возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Использование подобных систем будет очень привлека- Рис. 4. Световой колодец Градостроительство и архитектура | 2019 | Т. 9, № 4 128 ГРАДОСТРОИТЕЛЬСТВО. ПЛАНИРОВКА СЕЛЬСКИХ НАСЕЛЕННЫХ ПУНКТОВ тельно с точки зрения экономии ресурсов при эксплуатации объектов. Освещение с применением гелиостатов. Эту систему можно в какой-то степени сравнить со световым колодцем, но в «укрупненном виде». В классическом виде данная система освещения состоит из приёмно-концентрирующего устройства гелиостата, которое, находясь в окружающей среде, принимает и перенаправляет свет на «зеркальную стену», с которой, в зависимости от типа трансформации света (одноступенчатой или двухступенчатой), свет направляется либо непосредственно во внутреннее пространство, либо через световые шахты в «труднодоступные» для освещения места (рис.6). Гелиостаты могут располагаться как на крыше самого здания, так и на соседних, а также в уровне земли. Использование подобных установок позволяет экономить 40-70 % электроэнергии, затрачиваемой на освещение. Большой плюс этой системы в том, что она способна работать автономно и достаточно легко интегрируется с системами искусственного освещения. Таким образом, применение интеллектуальных установок, позволяющих рационально использовать преимущества комбинированного типа освещения (естественного и искусственного), безусловно актуально. К недостаткам системы можно отнести ее высокую стоимость, сложность монтажа, громоздкость оборудования, поскольку количество гелиостатов обычно соответствует числу освещаемых пространств и требует больших площадей для размещения устройств. Кроме того, при использовании световых шахт в организации освещения здания данной системе будут присущи все недостатки, которые характерны устройствам типа «световой колодец». Рис. 5. Гибридное освещение. Системы LightCatcher Рис. 6. Освещение с применением гелиостатов в здании One Central Park. Архитектор Jean Nouvel Выводы. Проведённая систематизация сведений о возможных способах освещения помещений естественным светом позволяет подобрать наиболее подходящий вариант использования солнечного света в структуре здания. Проведённый анализ в очередной раз доказал Н. А. Калинкина, И. В. Жданова, А. А. Кузнецова 129 Градостроительство и архитектура | 2019 | Т. 9, № 4 эффективность применения «зеленых» технологий, способных не только улучшить качество и равномерность естественного освещения здания в целом и его отдельных пространств, но и существенно экономить энергетические затраты в процессе эксплуатации здания. Выбор вида естественного освещения в здании должен проходить путем отказа от стереотипов в проектировании [24]. Обеспечение высокого качества естественного освещения и комфорта в помещении, а также максимальной энергоэффективности предлагаемых решений для современных зданий требует нестандартных научно-технических решений. Для подбора оптимального, с точки зрения всех факторов, варианта использования естественного освещения здания необходим индивидуальный подход в каждом конкретном случае, с учетом всех макроклиматических параметров среды и создаваемого микроклимата в помещениях.

About the authors

Nadezhda A. KALINKINA

Samara State Technical University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Irina V. ZHDANOVA

Samara State Technical University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Anna A. KUZNETSOVA

Samara State Technical University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

References

Supplementary files