Проблемы инсоляции зданий и световодное освещение

Сообщение, сделанное ведущим научным сотрудником ГП НИПТИС, кандидатом физико-математических наук А. И. Кириленко 25 марта на 2-й научно-практической конференции "Энергоэффективные системы освещения зданий"

Светопрозрачные ограждения призваны решать триединую задачу - обеспечить освещенность, инсоляцию и солнцезащиту помещений общественных и промышленных зданий. Если речь идет об обычном окне, такие требования выглядят крайне противоречиво, особенно если учесть, что окно должно выполнять еще множество других, несветотехнических функций. Поэтому окно, пожалуй, самый наукоемкий элемент современных строительных конструкций. Разрешить эти противоречия помогают архитектурные приемы застройки, в частности, ориентация зданий, объемно-планировочные решения, средства озеленения.

Изменение строительных концепций, ориентация на создание ширококорпусных теплых домов, на увеличение плотности и этажности застройки, появление на рынке все новых и новых светопрозрачиых материалов для решения задач дизайна, теплосбережения, солнцезащиты, развитие новых систем освещения, в том числе и световодных с отражателями и переотражателями на основе принципов и методов неизображающей оптики, делает особенно актуальной проблему инсоляции зданий.

Обычно с инсоляцией связывают процессы проникновения ультрафиолетового (УФИ), видимого и инфракрасного (теплового) излучения в помещения. Особая роль придается ультрафиолету как многофункциональному биологическому фактору, оказывающему бактерицидное, эритемное, антирахитное и витальное (тонизирующее) действие. Биологическая ценность УФИ хорошо известна, как известно и то, что основная территория РБ располагается на 52-56 параллелях, то есть вблизи зоны ультрафиолетового дефицита (57,5° северной широты и севернее).

Как и естественная освещенность, естественное УФИ чрезвычайно изменчиво, причем не только во времени, но и по спектру. Уровни облучения УФИ зависят от длины волны излучения, высоты солнца над горизонтом, солнечной активности, состояния озонового слоя, концентрации и характера распределения аэрозолей в атмосфере и тропосфере и, наконец, от вида облачности, ориентации и состояния облучаемой поверхности, высоты над уровнем моря, альбедо окружающих поверхностей, характера озеленения. В условиях нормальной атмосферы при изменении высоты солнца с 15° до 60° интенсивность УФИ увеличивается в 20 раз, а полная энергия излучения солнца - всего на 20%. На каждые 100 м подъема интенсивность УФИ увеличивается на 3-4%. Зимой облученность выше, чем летом, на 30-50% при тех же высотах солнца. Ослабление УФИ и видимого излучения атмосферой происходит непропорционально.

В конкретных условиях, например, в городской среде при загрязнении атмосферы поведение УФИ и видимого излучения различается принципиально. В отдельных случаях ослабление УФИ за счет загрязнения воздуха достигает 80%, в то время как ослабление интегральной солнечной радиации составляет всего 30%.

Таким образом, загрязненность атмосферы переводит территорию из разряда оптимальных в территорию с недостаточностью УФИ.

Обратимся к инсоляции помещений через обычные окна. Как видно, обычное стекло кардинально срезает УФИ. Чисто вымытые стекла пропускают от 11 до 20% УФИ, загрязненные - 5-10%; занавески уменьшают поток УФИ на 40-80%, а гардины - на 30-50%. Застекление лоджий и балконов, использование толстых стекол, тонированного остекления и применение стекол с напылением, введение третьего стекла с целью повышения термосопротивления, наконец, просто запыление стекол делает возможность проникновения УФИ в помещение весьма проблематичной, и никакие архитектурные решения не в силах исправить такое положение. Применение стекол с напылением, так называемых "оконных тепловых зеркал", настолько усугубляет ситуацию, что не остается ничего иного, как объявить УФИ вредным - ведь они пропускают лишь 1-2% УФИ Солнца через один слой покрытия (обычные двойные стекла пропускают 70% УФИ).

Понятно, что в южных штатах США необходима защита от УФИ, нормы же, действующие в РБ, требуют: "Искусственное и совмещенное освещение следует проектировать, учитывая требования к УФ облучению согласно действующим санитарным нормам и методическим указаниям "Профилактическое УФ облучение людей (с применением искусственных источников УФИ)" (П. 3.4, с. 1)".

Уровни УФИ в помещении сильно зависят от коэффициентов отражения стен, потолка. пола. Как правило, эти коэффициенты ниже, чем для видимого света. Картина аналогична и для порошков и красок. Были рассчитаны горизонтальные облученности в стандартной комнате при коэффициентах диффузного отражения, равных 0,7 и 0,48, что примерно соответствует коэффициентам отражения побелки в видимом и УФ диапазонах соответственно.

Таким образом, прогноз проникновения УФИ в современную городскую квартиру, а также создания в ней УФ облученности крайне неблагоприятен.

Однако качество жилья напрямую зависит от уровня инсоляции, так как в любом случае человеку необходимо за год получить примерно 45 эритемных доз УФИ и постоянно жить и работать в благоприятной гигиенической обстановке.

Строительные нормы РБ требуют попадания прямого солнечного света в помещение в течение не менее чем 2,5 часов в день с 22 марта по 22 сентября (для тех же географических широт нормы Шотландии предусматривают облучение в течение 1 часа в день на протяжении 10 месяцев в году, Польши, Франции, Голландии - в течение 1 часа в день в течение 8 месяцев, ФРГ, Бельгии, Англии - в течение 1 часа в день в течение всею года.) Конечно, при этом не учитываются указанные выше факторы изменчивости перераспределения и проникновения УФИ в помещения. Нормирование инсоляции без учета этих факторов в настоящее время не выдерживает критики, как и само определение инсоляции, поскольку средние уровни рассеянного и попавшего в помещение УФИ сравнимы по величине с уровнем прямого УФИ, хотя и не пропорциональны ему и в зависимости от внешних факторов изменяются по-разному Применение технических средств в системах освещения естественным светом еще более усугубляет ситуацию.

Выход из создавшегося положения может быть найден только в измерениях УФИ в помещениях. Однако ответить на вопрос, какую конкретно физическую величину измерять, достаточно трудно, поскольку такие измерения должны быть достаточно дешевы и достаточно надежны, с одной стороны, с другой стороны, должна быть учтена многовариантность биологического воздействия УФИ. По-видимому, достаточно универсальной характеристикой может быть энергетическая экспозиция (ЭЭ, поверхностная или объемная, Дж/м 2 или Дж/м 3). Это обстоятельство не является чисто физическим. Так, нормы для УФ облучения профессионалов в РБ определяются через мощность потока (Вт/м 2), действующего в течение определенного времени, а на Западе - через экспозицию. Разница по экспозиции для РБ - в 12 раз.

Очевидно, что одни и те же уровни ЭЭ могут достигаться различными путями: при малой величине энергетической освещенности, действующей длительное время, или при большой, но кратковременной энергетической освещенности. Техническая возможность проведения таких измерений имеется, как имеется возможность, используя фильтры, выделить требуемый спектр УФИ.

Новая ситуация, сложившаяся с инсоляцией, требует для своего разрешения новых материалов светопрозрачных ограждений. Совершенно очевидно, что при изготовлении окон и стеклопакетов должно учитываться их светопропускание в УФ области. Известен целый ряд материалов, пропускание УФИ которыми значительно лучше, чем обычным стеклом. Хорошим материалом могло бы быть органическое стекло, но силикатное стекло, производимое в РБ, мало ему уступает.

Как известно, под воздействием УФИ все материалы, а особенно органические, соляризуются, то есть уменьшают свою прозрачность. Соляризация силикатного стекла значительно меньше, чем органического. На современном рынке имеются достаточно стойкие органические стекла. Так, после облучения образца оргстекла из Германии лaмпoй ДРТ-400 на расстоянии 20 см в течении 24 часов следов соляризации не обнаружено, тогда как лак на деревянной поверхности почернел.

Имеется техническая возможность увеличивать время и уровни инсоляции, а также перераспределять УФИ по помещению, используя световодные системы освещения и рефлекторы, сопряженные с ними. При этом появляется возможность направлять в помещение прямые солнечные лучи, даже если окна располагаются в северном направлении В ГП НИПТИС проведена серия экспериментов со световодами из силикатного стекла и оргстекла и отражателями из пленки с напыленным алюминием, отражающим УФИ лучше, чем излучение видимого диапазона, с целью определения областей применения и технологичности систем совмещенного световодного освещения. Подтверждена энергоэкономичность таких систем, простота обслуживания и монтажа их.

Согласно правилам и нормам обеспечения инсоляции жилых и общественных зданий и территорий жилой застройки (СанПиН №10-25-94, приложение 1) для определения периода инсоляции рассчитывается инсоляция не помещения, а центральной точки наружной поверхности оконного заполнения Из вышеизложенного следует, что соблюдение действующих строительных норм и правил не гарантирует поступления в помещение необходимого по гигиеническим требованиям количества УФИ. Таким образом, требуется совершенствование нормативной базы проектирования на основе научных исследований с использованием современной приборной базы и экспериментального строительства, а также исследования светопропускания уже применяемых окон в широком спектральном диапазоне как при направленном, так и при диффузном облучении.

Основой для решения этой задачи должны служить наблюдения за УФИ, зонирование территории республики как по ультрафиолетовому, видимому, так и инфракрасному излучению солнца. Технические возможности для решения ультрафиолетовой проблемы в республике имеются, и одно из наиболее перспективных направлений - это использование световодов, сопряженных с элементами неизображающей оптики.

Подготовил Сергей ЗОЛОТОВ