Osvětlování budov světlovody

Dispoziční i stavebně konstrukční řešení moderních budov je koncepčně postaveno na tom, aby se maximálním způsobem využil obestavěný prostor. Ne všechny vnitřní prostory mají zajištěn přístup k dennímu světlu. Ve špatně osvětlených místnostech s trvalým provozem osvětlovacích soustav se zvyšují požadavky na celkovou energetickou náročnost budovy. Je proto žádoucí přizpůsobit návrh tak, aby se co nejvíce využilo denního světla, a to nejen z pohledu úspor energie, ale především z pohledu tvorby vhodného vnitřního prostředí v budovách a jejich interiérové zrakové pohody.

Podle současných požadavků pro osvětlování patří mezi klíčové parametry, předurčující vytváření optimálních podmínek pro zrakové činnosti vnitřních pracovních prostorů, denní osvětlení a jeho dynamika pro zajištění odpovídajících vizuálních kontaktů. Tuto podmínku lze řešit na odpovídající úrovni u prostorů bez přímého denního světla zavedením optických vlnovodů, které umožňují vedení světla na větší vzdálenosti. Pro běžné účely osvětlení vnitřních prostor budov se nejčastěji používá tubusových světlovodů s vysoce odraznými vnitřními plochami.

Obr. 1 Světelný tok Φ (γ) procházející pod úhlem dopadu γ světlovodem o délce l a průměru D

Využití světlovodů v budovách

Z historického pohledu patří světlovody do oblasti technického zájmu o transport různých druhů energií na větší vzdálenosti. Světlovodné systémy byly známy již ve starověku. V dnešní době je snaha o maximální využití denního světla pomocí světlovodných systémů založených na moderních materiálech a technologiích.

V současné době existuje mnoho typů světlovodů, které se liší druhem nástřešních kupolí, způsobem koncentrace slunečního záření, druhem světlovodného tubusu, jeho délkou a průměrem, či způsobem uhýbání. Základem účinnosti však zůstává vnitřní odrazný povrch, který musí být ideálně hladký s vysokou odrazivostí, v opačném případě se potom snižuje celková účinnost světlovodu na minimum. V konečné fázi také úprava krytu světlovodu ve stropní konstrukci ovlivňuje výsledné osvětlení. Nejčastěji se používají stropní difuzéry.

Světlovodné systémy přinášejí možnosti zlepšení zrakové pohody a vizuální kontakt ve vnitřních částech budov. Slabou stránkou světlovodů jsou doposud přetrvávající vysoké pořizovací náklady, které už jsou překážkou jejich běžného používání. Světlovodný systém vyžaduje vedení-potrubí, které musí být hermeticky uzavřeno a utěsněno, aby nedocházelo k degradaci odrazných ploch vlivem atmosférické vlhkosti a prachu. Stropní kryty jsou vyráběny z difuzních skel nebo transparentních plastů, nástřešní kupole musí být odolné proti ultrafialovému záření a kolísání venkovních teplot. Všechny tyto součásti představují vysoké náklady, proto je snaha využívat světlovodů co nejefektivněji.

Je vhodné již při návrhu posoudit světelnou účinnost světlovodu, na základě které lze zvážit vhodnost jeho využití v daném prostoru. Na základě posouzení vybraného typu světlovodu byl realizován soubor provozních měření, jejichž výsledky poskytly informace o možnostech využití tubusových světlovodů v budovách.

Světelná propustnost světlovodů

Pro vyhodnocení světelné propustnosti světlovodu je potřeba určit světelný tok Φ (γ) vycházející ze světlovodu o celkové délce l a průměru D. Ten je závislý na světelném toku, vcházejícím do světlovodu pod úhlem γ a přímo úměrném činiteli odrazu ρ vnitřního povrchu světlovodného tubusu podle vztahu

Propustnost světla τ (γ) světlovodem pro libovolný úhel γ, pod kterým dopadá světelné záření do světlovodného tubusu (měřeno od svislé osy tubusu), je definována jako podíl světelného toku Φ (γ) vycházejícího ze světlovodu ke světelnému toku Φ_E (γ), který do světlovodu vstupuje podle vztahu

Následující tabulka uvádí přehled hodnot propustností světlovodů τ (γ), spočítaných v závislosti na délce světlovodu l a vnitřním průměru světlovodného tubusu D. Propustnost byla stanovena pro světlovody průměrů D = 320, 520 a 760 mm s odrazivostí vnitřních povrchů ρ = 0,98 [12]. Byly uvažovány úhly dopadu světelného záření do světlovodného tubusu pod úhly γ = 0°, 10°, 20° a 30°.

Tabulka 1 Světelná propustnost světlovodu τ (γ) v závislosti úhlu dopadu světelného záření γ

Hodnoty světelné propustnosti τ (γ) uvedené v tabulce 1 platí pro případ, že vnitřní stěny tubusu mají hladký povrch s vysokou světelnou odrazivostí, světlovod není ničím zastíněn a na vstupní i výstupní straně nejsou žádné překážky způsobující světelné ztráty.

Ve skutečnosti je však nutno světelnou propustnost světlovodu redukovat o světelné ztráty vlivem nástřešní kupole a stropního krytu. Transparentní nástřešní kupole se většinou vyrábějí z PMMA (polymethylmethakrylátu) nebo z PC (polykarbonátu). Výsledky měření spektrální propustnosti kupole z PMMA jsou uvedeny na obrázku 2.

Obr. 2 Výsledky měření spektrální propustnosti kupole a difuzéru tubusového světlovodu [11]:
1 - propustnost světla, měřeno ve směru od hladké strany difuzéru
2 - propustnost světla, měřeno ve směru od vzorované strany difuzéru

Také je nutno posoudit vliv stropního krytu. Stropní kryty bývají prováděny jako difuzéry (běžně vyráběné z difuzních transparentních plastů nebo skel). Difuzéry rozptylují světlo procházející světlovodem rovnoměrně do místnosti. Na obrázku 2 je také uveden spektrální průběh propustnosti stropního difuzéru. Červená křivka představuje propustnost z hladké strany difuzéru, černá křivka ze strany vzorované.

Obr. 3 - Schéma světlovodu

Posouzení světelné účinnosti světlovodu

Světelnou účinnost světlovodů ovlivňuje mnoho parametrů, optické vlastnosti jednotlivých komponentů, geometrie celého světlovodného systému a způsob jeho osazení v budově. Pro vyhodnocení světelné účinnosti byl vybrán přímý světlovod o průměru 520 mm (systém Lightway) [11]. Tento světlovod prochází budovou na výšku celého jednoho podlaží. Celková délka světlovodu je 4,8 m. Uvedený světlovod je instalován v budově Základní školy v Brně-Chrlicích. Schéma svislého řezu posuzovaného prostoru se světlovodem je uvedeno na obrázku 3.

Účinnost výše uvedeného typu světlovodu byla stanovena na základě změřených hodnot jasu oblohy a průměrné hodnoty jasu stropního difuzéru a je možné ji vyjádřit vztahem

kde
L_i ... jas oblohy nad světlovodem [cd.m^-2],
L_s ... jas stropního difuzeru světlovodu [cd.m^-2].

Měření jasu stropního difuzéru probíhalo s využitím jasové kamery LMK Vario 2000 - Techno Team - D. Jasový snímek difuzéru je uveden na obrázku 4. Jas oblohy nad kupolí byl stanoven pomocí jasového nástavce multimetru CEM DT-8823 a naměřena hodnota (pro tento případ) činila 6 480 cd.m^-2.

Obr. 4 Jasový snímek stropního difuzeru posuzovaného světlovou
s tabulkou udávající charakteristické hodnoty z měření

Tabulka 2

Dosazením průměrných naměřených hodnot do vztahu (3) vychází pro uvedený provozní stav celková účinnost světlovodu η = 0,35. Jas oblohy, při kterém byla stanovena světelná účinnost světlovodu, odpovídá přibližně hodnotě exteriérové osvětlenosti E_h = 20 000 lx, která je považována za průměrnou exteriérovou osvětlenost v podmínkách České republiky.

V našich klimatických podmínkách se exteriérová osvětlenost pohybuje přibližně od 3 do 120 klx (v závislosti na ročních obdobích a denních hodinách). Na obrázku 5 jsou uvedeny denní průběhy exteriérové osvětlenosti, které byly naměřeny v Ústavu stavebníctva a architektúry SAV v Bratislavě.

Osvětlenost v místnosti pod světlovodem

Na následujícím obrázku jsou prezentovány výsledky měření interiérové osvětlenosti E [lx] naměřené během podmínek zatažené, částečně zatažené a bezoblačné (jasné) oblohy. Měření byla prováděna na pracovní rovině ve výšce 850 mm nad podlahou (tedy 2 m pod stropním difuzérem). Z naměřených hodnot zpracovaných do grafů na následujícím obrázku je patrná dynamika změn v denní osvětlenosti prostoru osvětlovaném pomocí posuzovaného tubusového světlovodu při různých hodnotách exteriérové osvětlenosti.

Obr. 5 Průběh denní exteriérové osvětlenosti Eh [klx] za podmínek jasné i zatažené oblohy
(vybrané dny v letním a zimním období podle [5])

Obr. 6 Osvětlenost interiéru E [lx] ve vzdálenosti 2 m pod stropním difuzérem při exteriérových podmínkách jasné,
částečně zatažené i zatažené oblohy

Závěr

Světlovody představují efektní řešení pro zkvalitnění podmínek zrakové pohody v budovách. Světelná účinnost posuzovaného světlovodu pro dané provozní stavy je 30 až 40 %, jak vyplývá ze souboru realizovaných měření. Největším přínosem světlovodů je však přímý vizuální kontakt s dynamikou denního světla v prostorech, kde by jinak trvale musely být v provozu klasické osvětlovací soustavy. V konečném důsledku to vede k významným energetickým úsporám.

Použitá literatura

1. BAKER, N., STEEMERS, K.: Daylight design of buildings. James&James science publishers Ltd., London 2002, ISBN 1 87393688 5
2. BRACALE, G., MINGOZZI, A., BOTTIGLIONI, S.: Performances and Daylighting applications of Solatube. The Tubular skylight. Proc. Conf. Lux Europa 2001, Reykjavik, p. 360-384
3. DARULA, S.: New Measured Method of the Diffuse Light Transmittance. Building Research Journal, 2003, No. 51, Vol. 1-2, p. 1-8, Reg. No 7094
4. EVANS, B. H.: Daylight in Architecture. Mc Graw-Hill, New York, 1981
5. KITTLER, R., DARULA, S., KAMBEZIDIS, H., BARTZOKAS, A.: Daylight reference Year. Final Report. ICA SAS Bratislava, NOA Athens, University of Ioannina, Ioannina, 2004
6. PLCH, J., MOHELNÍKOVÁ, J., SUCHÁNEK, P.: Osvětlení neosvětlitelných prostor. ERA, Brno 2004, ISBN 80-86517-82-9
7. PLCH, J., MOHELNÍKOVÁ, J.: Tubular light guides in buildings. Conf. proc. Solaris 2005, Athens 2005
8. SHAO, L., ELMUALIM, A., A., YOHANNES, I.: Mirror light pipes. Daylighting performances in real building. Lighting Research Technology, 30, 1, p. 37-44, 1997-1998, 10, 1997
9. SUCHÁNEK, P.: Návrh a hodnocení denního osvětlení místností se světlovody. Materiály pro stavbu 3/2005, p. 58-61, ISSN 1213-0311
10. PLCH, J., MOHELNÍKOVÁ, J.: Expertiza-Difuzory Lightway, 2005
11. PLCH, J., MOHELNÍKOVÁ, J.: Hodnocení a posuzování světlovodů Lightway, Mezinárodní konference SVETLO 2005, Slovensko
12. Firemní podklady Bitumen & Plastic, Světlovody Lightway, Praha 2005
13. ČSN EN 12665 - Světlo a osvětlování - Základní termíny a kriteria pro stanovení požadavků na osvětlení, 2003
14. ČSN EN 12464 - 1, Světlo a osvětlování - Osvětlování pracovních prostorů, Část 1: Vnitřní pracovní prostory 2004
15. ČSN EN 12464-1/Z1, Světlo a osvětlování - Osvětlování pracovních prostorů, Z1 - Změna, Národní příloha k ČSN EN l2464 - Část 1: Vnitřní pracovní prostory, 2005

Poděkování:

Autoři děkují za všechny formy podpory, které se jim dostalo od:

- vedení Úřadu městské části Brno-Chrlice,
- ředitelství Základní školy v městské části Brno-Chrlice,
- vedení společnosti Bitumen & Plastic při posuzování světlovodů v budovách.