stavitel Grada Publishing

��

��

��

stavitel

Osvětlování světlovody Ing. Stanislav Darula, CSc. Doc. Ing. Richard Kittler, DrSc. Mgr. Miroslav Kocifaj, PhD. Doc. Jiří Plch, CSc. Ing. Jitka Mohelníková, PhD. Ing. František Vajkay

Grada Publishing

Osvětlování světlovody.indd 3

7.4.2009 21:47:04

Poděkování Tato práce byla podporovaná v Slovenské republice Agentúrou na podporu výskumu a vývoja a v České republice Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy v rámci projektu Kontakt. Velké poděkování patří panu Doc. Ing. Janu Kaňkovi, PhD., který pečlivě provedl lektorský posudek knihy.

OSVĚTLOVÁNÍ SVĚTLOVODY Stanislav Darula, Richard Kittler, Miroslav Kocifaj, Jiří Plch, Jitka Mohelníková, František Vajkay Vydala Grada Publishing, a.s. U Průhonu 22, Praha 7 [email protected], www.grada.cz tel.: +420 220 386 401, fax: +420 220 386 400 jako svou 3612. publikaci Odpovědná redaktorka Věra Slavíková Sazba Jan Šístek Fotografie na obálce Lightway, s.r.o. Obrázky v kapitolách 1–7 z archivu autorů Fotografie v kapitole 8 Lightway, s.r.o. Počet stran 160 První vydání, Praha 2009 Vytiskly Tiskárny Havlíčkův Brod, a. s. Husova ulice 1881, Havlíčkův Brod © Grada Publishing, a.s., 2009 Cover Design © Eva Hradiláková 2009 Názvy produktů, firem apod. použité v knize mohou být ochrannými známkami nebo registrovanými ochrannými známkami příslušných vlastníků. ISBN 978-80-247-2459-1 (tištěná verze) ISBN 978-80-247-6348-4 (elektronická verze ve formátu PDF) © Grada Publishing, a.s. 2011


7.4.2009 21:47:04

5

Obsah  1 Úvod (R. Kittler, S. Darula, J. Mohelníková) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2 Fotometrické veličiny (S. Darula, J. Mohelníková) . . . . . . . 2.1 Základní veličiny a vztahy používané ve fotometrii . . . . 2.2 Vztahy mezi fotometrickými a energetickými veličinami 2.3 Složky světelného a zářivého toku . . . . . . . . . . . . . . .

. . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13 13 16 17

3 Přehled vývoje tubusových světlovodů (J. Mohelníková) . 3.1 Vývoj světlovodů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Současné světlovodné systémy . . . . . . . . . . . . . . . 3.3 Pasivní světlovodné systémy . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4 Aktivní světlovodné systémy . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

19 19 24 26 29

4 Optické vlastnosti světlovodů (J. Mohelníková, J. Plch) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1 Spektrální propustnost transparentních prvků světlovodů . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Změna optických vlastností materiálů v závislosti na úhlu dopadu světla . . . . . 4.3 Materiály pro vysoce reflexní povrchy tubusů světlovodů . . . . . . . . . . . . . . .

31 31 33 38

5 Exteriérové světelné podmínky (R. Kittler, S. Darula) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1 Dostupnost slunečního světla pro tubusové světlovody . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2 Směrování slunečních paprsků do světlovodu podle ročních a denních drah Slunce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3 Sbírání oblohového světla do světlovodu podle rozložení jasů na obloze . . . . . 5.4 Pravděpodobné roční změny typických denních osvětleností ve střední Evropě . . 5.5 Modelování průběhů denních osvětleností . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.6 Osvětlení kopule světlovodu v šikmé rovině . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

41 41

. . . . .

45 47 58 68 76

6 Modelování šíření světla světlovody . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 6.1 Analytické řešení (M. Kocifaj) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 6.1.1 Šíření individuálních světelných paprsků tubusovým světlovodem . . . . . 81 6.1.2 Osvětlení difuzoru po mnohonásobných odrazech v tubusu světlovodu . . 87 6.1.3 Využití světlovodů k osvětlení vnitřních prostor . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 6.2 Empirické metody (J. Mohelníková) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 6.3 Simulační metody pro osvětlování (J. Mohelníková, F. Vajkay) . . . . . . . . . . . . . 101 6.3.1 Radiační metoda (Radiosity) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 6.3.2 Metody sledování paprsku (Ray-Tracing) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 6.3.3 Metoda pro zobrazení globální osvětlenosti (Global Illumination) . . . . . 106 6.3.4 Fotonová mapa (Photon Mapping) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 6.4 Ukázka výsledků modelování světlovodů (F. Vajkay, J. Mohelníková) . . . . . . . . 107 7 Návrh a hodnocení tubusových světlovodů (J. Mohelníkova, J. Plch, S. Darula) . . . 115 7.1 Hodnocení světelné účinnosti světlovodů podle metody CIE . . . . . . . . . . . . . 115 7.2 Hodnocení osvětlenosti pod světlovodem pomocí jasu difuzoru . . . . . . . . . . 118 7.3 Ukázka vyhodnocení osvětlenosti od světlovodu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121


7.4.2009 21:47:04

6

Osvětlování světlovody 8 Ukázky praktických realizací světlovodů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 Závěr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 Seznam symbolů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 Věcný rejstřík . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 Jmenný rejstřík . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159


7.4.2009 21:47:04

7

Předmluva Autoři se při psáni knihy snažili čtenáři přiblížit problematiku vedení světla světlovody a jejich posuzování ze světelně-technického hlediska. Náročnější čtenář může získat teoretické základy z řešení úloh přenosu světla tubusovými světlovody při různých světelných exteriérových podmínkách a méně náročný čtenář má možnost obeznámit se s jednoduššími postupy hodnocení osvětlení interiérů světlovody.


7.4.2009 21:47:04


7.4.2009 21:47:04

Úvod

9

1 Úvod  Všechno rostlinstvo, zvířena i člověk se ve svém fylogenetickém vývoji přizpůsobili slunečnímu záření a světlu oblohy. Dlouhá staletí oči lidí svou citlivostí využívají sluneční spektrum v jeho nejintenzivnější části záření, která vzhledem na povrchovou teplotu Slunce kolem 6000 K září jako absolutní černé těleso právě nejvíc světla s vlnovou délkou mezi 380 až 780 nm. V této oblasti využívá lidský zrak jednotlivé monochromatické záření podle tzv. křivky poměrné světelné účinnosti viditelného záření, známé jako V(λ) s maximem na vlnové délce 555 nm (CIE, 1924, 1990), pro denní vidění. Je zajímavé, že tyto žlutozelené paprsky jsou právě ty, které zeleň listů odráží, kdežto rostliny fotosyntézou zužitkují nejvíce modré světlo s maximem 430 nm a červené při 660 nm (obr. 1.1). Už tato vzájemně výhodná dělba využívání slunečního světla ukazuje, že život na Zemi by nebyl možný bez celého řetězce procesů, které nepředurčují jen fotosyntézu, ale umožňují také vizuální orientaci, informace ze životního prostředí a také mimozrakovou pohotovost mozku. V posledních letech se zabývalo několik biolékařských studií vlivy světla na lidské zdraví, pozornost a práceschopnost, každodenní i sezónní rytmus práce a též vlivy na spánek (např. Piazena a kol., 2005). Zjistilo se, že v oblasti fyziologie, pracovní hygieny a ergonomiky, resp. psychologie práce i životní pohody světelné podmínky v budovách významně ovlivňuje pravidelné střídání dne a noci, vzrůst a pokles intenzit venkovního denního světla v závislosti od změn výšky a azimutu Slunce i jeho zastínění oblaky. Slunce je jediný primární zdroj přírodního světla, které dopadá na Zemi. V důsledku čtyřiadvacetihodinové rotace zeměkoule kolem její osy se neustále mění jeho poloha v jakékoliv lokalitě, přičemž extraterestriální sluneční světlo (Darula a kol., 2005) proniká atmosférou Země,

Obr 1.1 Porovnání poměrné světelné účinnosti monochromatického záření pro lidské oko a rostliny


7.4.2009 21:47:04

10 Osvětlování světlovody kde se rozptyluje, pohlcuje a odráží na hmotných částečkách aerosolů, vodních par a plynů. V případě, když je Slunce stíněno oblaky, vzniká také velkoplošný zdroj oblohového světla, který svým difuzním světlem od rozednění až po západ Slunce je zdarma k dispozici. Podle denních drah Slunce v určité lokalitě a podle jejich ročních změn si zvykl člověk na cyklus dne a noci, který vyvolává biologický rytmus (Stoer a kol., 2005): • návyku bdění a spánku, • produkci melatoninu, melatoninem ovlivněná tvorba serotoninu a kortizolu (obr. 1.2), • koncentraci kortizonu a adrenalinu, • produkci růstového hormonu, • změny teploty těla a elektroencefalogramu, • ovlivňuje aktivitu a pozornost při práci, • pohodu nebo únavu a ospalost, • potřebu pití a jídla. Často si lidé neuvědomují, že právě různé změny a rozsah úrovní denního osvětlení byly prvotní příčinou tak značné schopnosti adaptace zraku od nočního minima až po polední maxima v rovníkových oblastech. Současně se může též oko akomodační schopností zaostřit na přesné vidění velmi blízkých předmětů anebo v tmavém interiéru až k vzdálenému horizontu při výhledu z okna. Zrakové vnímání, kontrastní citlivost, ostrost a rychlost rozlišování detailů závisí především na jasových poměrech v místě zrakové práce. Podstatný vliv na světelnou pohodu má stimulační účinek časové a prostorové proměnlivosti denního světla. Stručně se dají tyto dynamické účinky v daném prostředí shrnout následovně: • podle změn počasí a stavu atmosféry se dají očekávat různé exteriérové světelné podmínky od slunečných jasných dnů až po různé oblačné dny, kdy se střídají periody se slunečním svitem a bez něho, s obdobími se zcela zataženou oblohou,

Obr 1.2 Cirkadiánní rytmy pozornosti a spánkového hormonu melatoninu


7.4.2009 21:47:06

Úvod •

• •

•

11

vlivem zákalu nebo znečištění atmosféry a též podle typu a pokrytí oblohy oblaky nastává různé rozložení jasů na obloze, které vytváří specifické podmínky pro osvětlení interiérů okny, světlíky nebo světlovody, v důsledku pohybu oblaků na obloze se pozvolna nebo náhle mění celková osvětlenost na površích v exteriéru, podle směrování slunečních paprsků i převládajících jasů oblohy se dají očekávat časové i prostorotvorné změny ve sledu: – pozvolných změn směrování slunečního světla podle denní dráhy Slunce s postupujícími stíny předmětů v době úplně jasných dnů, – nepravidelných střídání slunečních stínů ve dne s dynamicky se střídající oblačností, kdy podle typu a propustnosti oblaků se stíny redukují na jemnější při polodifuzním osvětlení nebo žádné při absenci slunečního světla, – v případě hustě zatažené oblohy, také často s mlhou, je směrové sluneční světlo úplně vyloučeno a předměty na zemském povrchu jsou osvětlovány ze všech stran rovnoměrně zcela difuzním světlem, které nevytváří stíny, podle momentální barvy oblohy a oblačnosti se mění i spektrální složení denního světla, přičemž: – v zatažených dnech je obloha šedá až bílá, – v oblačných dynamických dnech se střídají často bílé a modré vzorky s přídavnou nažloutlou plochou v místě Slunce, – v jasných dnech je podle zákalu atmosféry, jejího znečištění nebo zvýšení obsahu vodních par barva oblohy od sytě modré a bledě modré až po bílou s dodatečnou příměsí barvy slunečního světla v závislosti na postavení Slunce na obloze.

Nutno konstatovat, že všechny tyto rozdíly a variace časových a prostorových proměn i mnohotvárnost denního světla byly a jsou významným stimulátorem adaptačních a aktivačních reflexů člověka, přičemž podmiňují též jeho práceschopnost a pohodu v přírodním i architektonickém prostředí a schopnost přijímat vizuální informace. V souvislosti s vyššími požadavky na zrakovou pohodu i s energeticky úspornými opatřeními je a bude problematika denního osvětlení budov velmi aktuální. Technicky již existují možnosti, jak přivést denní světlo nestandardním způsobem i do těžko osvětlitelných prostor. K tomuto účelu se využívají světlovodné systémy. Klasické světlovody jsou trubicové soustavy, které opticky spojují venkovní prostředí s interiérem. Jejich funkce je založena na principu dopravy světla na velké vzdálenosti prostřednictvím mnohonásobných odrazů od vysoce reflexního povrchu. I když na světlovody nelze jednoznačně pohlížet jako na systémy zabezpečující denní osvětlení, nutné pro vykonávání zrakových prací, jejich využití přináší možnost zlepšení světelných podmínek v budovách a úspory elektrické energie na osvětlování. Hlavním přínosem světlovodů zůstává umožnění přístupu lidí k dennímu světlu včetně jeho dynamických změn závislých na venkovních světelných podmínkách. Dynamický účinek denního osvětlení s měnící se jeho barvou a intenzitou vede ke stimulaci lidského organismu. Odborné studie dokazují, že v prostorech, kde existuje monotónní činnost, dynamika denního světla má silně motivující účinek na chování lidí (IESNA, 2000). I když světlovody nelze zcela nahradit okna nebo světlíky, je možné jejich prostřednictvím dynamiku denního světla v interiérech získávat.


7.4.2009 21:47:07

12 Osvětlování světlovody Tubusové světlovody se jako zdánlivě jednoduchý osvětlovací prvek začaly komerčně využívat bez větších znalostí transportu světla a optických vlastností jejich komponentů. Je tedy zřejmé, že s výhodami těchto systémů se dostavily i problémy spočívající především v nedostatečné osvětlenosti za podmínek zatažené oblohy nebo naopak s oslňováním za jasných slunečních dnů. Proto vyvstala potřeba se o světlovody více zajímat a byly vytvořeny postupy pro jejich využívání v budovách (CIE 173 – 2006). V současnosti se vypracovávají výpočtové postupy pro hodnocení světelné účinnosti světlovodů, pro návrh a posouzení osvětlení a jasů, které možno očekávat ve vnitřních prostorech.


7.4.2009 21:47:07

Fotometrické veličiny

13

2 Fotometrické veličiny  Podobně jako ultrafialové a infračervené záření je i světlo elektromagnetické záření, ale v oblasti viditelného spektra. Protože definice světla je vázána na citlivost lidského zraku, je v očích klasického fyzika často chápaná jako jev značně subjektivní. Na druhé straně právě viditelnost tohoto typu záření i jeho rychlé šíření ve vakuu meziplanetárních prostor lákalo k jeho zkoumání a měření. Už v roce 1675 dánský astronom Ole Rømer (Nielsen, 1944) vypočetl rychlost světla ve vesmíru c = 300 000 km.s-1 s poměrně vysokou přesností, přičemž dnes se udává přesně c = 299 792 456 ±1 m.s-1. Později zdůraznila významnost rychlosti světla Einsteinova speciální teorie relativity v tzv. ekvivalenci hmoty m a energie W, která též váže energii se zářením ve známém vzorci W = mc2, kde

W m c

(2.1.1) je vlastní energie tělesa [J], je hmotnost tělesa [kg], je rychlost světla ve vakuu [m.s-1].

Vzhledem k různé citlivosti lidského zraku na určité monochromatické záření ve viditelné oblasti spektra 380 – 780 nm, se světlo pro denní (fotopické) vidění definuje tokem monochromatického záření Φe(λ), který se měří ve watech [W] v oboru vlnových délek λ + dλ, např. v rozsahu jednoho nanometru. Tato energie se potom přehodnocuje poměrnou světelnou účinností viditelného záření V(λ) a vzhledem na fotometrický ekvivalent, který normalizuje největší účinnost při 555 nm, je stanovená na Km = 683 lm.W-1, takže světelný tok Φ v lumenech [lm] je .

(2.1.2)

I když zjištění a definování spektrálních vlastností zdrojů záření bylo v nedávné době poměrně složité a drahé, dnes je už k dostání dost spektrofotometrů k podrobné analýze spojitých spekter záření, například slunečního, oblohového anebo záření žárovek. Dají se měřit také nespojitá a pásová spektra zářivek a nových zdrojů světla (např. výbojek, LED – světelných diod a jiných umělých zdrojů). Podobně jako v jiných technických oborech i ve světelné technice došlo k standardizaci pojmů a veličin (ČSN EN 12665:2003 (36 0001)). Celosvětový systém fotometrických jednotek byl dohodnut a přijat na mezinárodním kongresu elektrotechniků v Ženevě podle návrhu Blondela (1896).

2.1 Základní veličiny a vztahy používané  ve fotometrii Vzhledem ke spektrální citlivosti lidského oka nelze používat k popisu účinků vjemů radiometrické (energetické) veličiny, jako jsou např. zářivý tok [W] nebo intenzita záření [W.m-2], ale jen veličiny fotometrické, které respektují korpuskulární, ale i vlnovou povahu světla a zohledňují vlastnosti


7.4.2009 21:47:07

14 Osvětlování světlovody lidského zrakového vnímání. Základní fotometrickou veličinou ve světelné technice je svítivost, odvozené veličiny jsou světelný tok, jas, intenzita osvětlení, tj. osvětlenost (CIE 70 – 1987, Tregenza a Sharples, 1993, Habel a kol., 1995, ČSN EN 12665:2003 (36 0001)). Svítivost I v kandelách [cd] je základní fotometrická jednotka soustavy SI. Tato veličina udává, kolik světelného toku Φ vyzáří světlený zdroj do prostorového úhlu ω v určitém směru. Je definovaná vztahem , kde

I Φ ω = A / r2

(2.1.3) je svítivost [cd = lm.sr-1], je světelný tok [lm], je prostorový úhel v [sr], který je definován jako úhel při vrcholu světelného kuželu, vymezující plochu A = 1 m2 z plochy koule o poloměru r =1 m.

Do soustavy jednotek SI patří svítivost. Její jednotka kandela [cd] představuje svítivost zdroje, který vyzařuje v určitém směru monochromatické záření o vlnové délce λmax = 555 nm (kmitočtu 540.1012 Hz), přičemž intenzita vyzařování zdroje v tomto směru je 1/683 W.sr -1 (Habel a kol., 1995). Toto definování se využívá ve světelně-technických výpočtech, ale nemá praktickou realizační podobu. V případě ověřování kalibrace, se využívá teplotní primární normál (Plch, 2000). Bodové zdroje mají rozměry, které jsou zanedbatelné v porovnání se vzdáleností od zdroje k pozorovateli, např. svíčky nebo žárovky se dají specifikovat jejich svítivostí. Svítivost plošného zdroje jako je obloha se obvykle definuje jeho jasem L, jednotkou kterého je cd.m-2. Intenzita osvětlení (osvětlenost) E [lx = lm.m-2] určuje, jak je určitá plocha osvětlována, tj. jak velký světelný tok Φ [lm] dopadá na osvětlovanou plochu A [m2]. Osvětlenost se určuje na zvolené srovnávací rovině podle vztahu (2.1.4) a měří se luxmetrem. (2.1.4) kde

E I r θ

je osvětlenost [lx], je svítivost bodového zdroje [cd], je vzdálenost [m], je úhel mezi normálou plochy řezu a směrem paprsku [°].

Jas L [cd.m-2] je měřítkem pro vjem světlosti svítícího nebo osvětlovaného tělesa, jak jej vnímá lidské oko, a měří se jasoměrem. Základní vztah pro stanovení jasu je definován závislostí na svítivosti (2.1.5). Jas má několik vztahových souvislostí a vazeb, a to na: • Svítivost. Když jde o svítící plochy, pak jas elementu svítící plochy k průmětu v daném směru pozorování je


7.4.2009 21:47:07

Fotometrické veličiny , kde

L dA

θ •

15

(2.1.5) je jas [cd.m-2], je plocha řezu svazkem, který obsahuje daný bod. Plocha dA’ = dA cosθ představuje kolmý průmět elementu plochy ve směru k pozorovateli, je úhel mezi normálou plochy řezu a směrem paprsku [°].

Světelný tok. Jas lze také vyjádřit podle vztahu, který ukazuje, že jasová hodnota představuje plošné a prostorové rozložení světelného toku

(2.1.6) kde

•

d2 Φ

je světelný tok procházející elementární ploškou dA v prostorovém úhlu dω v daném směru.

Osvětlenost. Když je definována osvětlenost v kolmém směru ke zdroji, potom osvětlovaná plocha ve směru prostorového úhlu bude mít jas ,

kde

(2.1.7) je jas kolmo osvětlované plochy [cd.m-2], je osvětlenost v kolmém směru ke zdroji [lx].

Li Ei

Tento vztah se používá v obrácené poloze i pro výpočet osvětlenosti na libovolně nakloněné rovině z plošného zdroje o známém jasu L, takže podle (2.1.6) bude (2.1.8)

, kde

E je osvětlenost na libovolně nakloněné rovině [lx], ωp = ω cosθ je průmět prostorového úhlu svíticí plochy do osvětlované roviny [sr].

V případě úplně difuzní a matné plochy se její jas vypočte podle , kde

ρ


(2.1.9) je činitel odrazu světla.

7.4.2009 21:47:07

16 Osvětlování světlovody

2.2 Vztahy mezi fotometrickými a energetickými  veličinami Svítivost a zářivost Fotometrické svítivosti I [cd] odpovídá energetická veličina zářivost Ie [ W.sr-1], (Horák a kol., 1961, Habel a kol., 1995) (2.2.1) kde

dΦe

je zářivý výkon [W] nebo také tok vyzářený do elementu prostorového úhlu dω [sr].

Jas a zář Fotometrickému jasu L [cd.m-2] odpovídá energetická veličina zvaná zář Le [W.m-2.sr-1], což je podíl zářivosti plošky dA zdroje ve zvoleném směru a průmětu této plošky do roviny kolmé k tomuto směru (2.2.2) kde

dA cosθ

je zdánlivá velikost elementu svíticí plochy, pozorovaného pod úhlem θ.

Světelný a zářivý tok Světelný tok Φ [lm] udává kolik světla vyzáří zdroj do prostoru. Je posuzovaný z hlediska lidského oka jako veličina odvozená z hodnoty zářivého toku Φe [W] tak, že se záření vyhodnocuje v závislosti na jeho účinku na normového fotometrického pozorovatele. Pro fotopické (denní) vidění se světelný tok stanovuje podle vztahu (např. Habel a kol., 1995)

(2.2.3)

kde

V(λ) Km= 683 lm.W-1

je poměrná světelná účinnost viditelného monochromatického záření pro fotopické vidění, je konstanta pro fotopické vidění, stanovená pro vlnovou délku λmax = 555 nm, (IEC 50(845)/CIE 17.4:1987).

Podíl světelného toku k odpovídajícímu celkovému zářivému toku vyjadřuje měrný výkon v lm.W-1 a je směrnou hodnotou přeměny elektrické energie na světelnou u umělých světelných zdrojů. Při posuzování denního osvětlení se užívá termín světelná účinnost ve významu měrného výkonu a mění se během dne v hodnotách, např. pro denní světlo od 60 – 115 lm.W-1, pro


7.4.2009 21:47:08

Fotometrické veličiny

17

jasnou oblohu a pro zataženou oblohu 110 lm.W-1, (Navaab a kol., 1986). Umělé světelné zdroje dosahují hodnot měrného výkonu např. zářivky 55 – 75 lm.W-1, žárovky 10 – 20 lm.W-1 (např. Robbins, 1986, Habel a kol., 1995). Významný je podíl světelného toku, který proniká nebo vchází do interiéru okny nebo světlovody k velikosti jejich otvorů. Ten se nazývá plošnou hustotou světelného toku v lm.m-2 a využívá se při výpočtech osvětleností tokovými metodami.

2.3 Složky světelného a zářivého toku  Světelné paprsky se na rozhraní dvou optických prostředí částečně odráží. Neodražená část se průchodem hmotou zeslabuje vlivem absorpce a zbylá část u transparentních materiálů prostupuje do dalšího prostředí. Dopadající světelný tok Φ [lm] se rozdělí na toky odraženého Φρ, propuštěného Φτ a pohlceného Φα, pro které platí princip zachování energie ve tvaru ,

(2.3.1)

Protože jednotlivé složky jsou částmi dopadajícího toku, je možno vyjádřit odraznost, propustnost a pohltivost světla pomocí činitelů

kde

je činitel odrazu světla,

(2.3.2)

je činitel prostupu světla,

(2.3.3)

je činitel pohlcení světla,

(2.3.4)

λ je vlnová délka [nm], ρ(λ), τ(λ), α(λ) spektrální činitelé odrazu, prostupu a pohlcení světla.


7.4.2009 21:47:08

*

18 Osvětlování světlovody Z rovnice (2.3.1) pro celé světelné spektrum platí ,

(2.3.5)

Absorbovaná část světelného toku procházejícího transparentním materiálem o tloušťce dx je definována vztahem ,

(2.3.6)

ze kterého vyplývá exponenciální rovnice absorpce ,

(2.3.7)

U dokonale odrazných (hladkých, zrcadlových) povrchů se uplatňuje zákon odrazu, podle kterého velikost úhlu odrazu θ’ je rovna velikosti úhlu dopadu θ. Odražený paprsek zůstává v rovině dopadu. V případě dokonale rozptylných povrchů se uplatňuje Lambertův zákon I = Iocos θ [cd], kde Io je kolmá svítivost rovinného plošného zdroje a I je svítivost světelného zdroje ve směru úhlu odrazu paprsků θ’ (Tomášek, 1973). V reálném prostředí je však jen velmi málo povrchů, které splňují ideální podmínky odrazu anebo lomu světla v materiálech. Ve většině případů se reálné odrazy a prostupy světla materiály modelují pomocí obou zákonitostí spojením účinků ideálního odrazu a rozptylu. Pro určování typu odrazu a prostupu byla ve světelné technice vypracována klasifikace povrchů, jak je uvedeno na obrázku 2.3.1.

Obr. 2.3.1 Světelný odraz a prostup směrového paprsku Povrch a) zrcadlový, b) dokonale rozptylný, difuzní, c) smíšený, d) směrově rozptylný, e) prizmatický


7.4.2009 21:47:10

Přehled vývoje tubusových světlovodů

19

3 Přehled vývoje tubusových  světlovodů V současné době, v souvislosti s energeticky úspornými opatřeními a vyššími požadavky na zrakovou pohodu v budovách, je problematika maximálního využívání denního světla velmi aktuální. Z toho důvodu se vyvíjejí nové technologie a konstrukce, z kterých se také prosadily světlovodné systémy spojující venkovní prostředí s interiérem. Tento způsob osvětlování umožňuje vést denní světlo i do míst, kde by bylo nutné svítit pouze elektrickými světelnými zdroji. Současné typy průmyslově vyráběných světlovodů byly uvedeny na trh zhruba před dvaceti lety. Jejich širšímu používání však nepředcházel detailnější výzkum, začaly se v budovách používat nahodile a osvětlení od nich předpovídat podle empirických zkušeností, většinou získaných z dřívějších realizací.

3.1 Vývoj světlovodů  Funkce světlovodů je založena na principu dopravy světla na velké vzdálenosti pomocí mnohonásobných odrazů od vysoce reflexního povrchu. Myšlenka vedení světla na velké vzdálenosti však není nikterak nová. Již ve starověkém Egyptě se prováděly vertikální šachty vyložené zlatými pláty za účelem odrazu světla hluboko do nitra masivních kamenných staveb. O novodobých světlovodech jsou první zmínky v souvislosti s vedením umělého světla z elektrických obloukových lamp z druhé poloviny 19. století. Od té doby se začínají uplatňovat světlovodné systémy pro osvětlování interiérů budov. Za tímto účelem bylo vydáno několik patentů a byly zrealizovány zajímavé projekty. Na realizacích světlovodných projektů pro průmyslovou výrobu se podíleli přední světoví vědci a inženýři (Hecht, 1999, Aizenberg, 2001). Mezi prvními se o problematiku vedení světla začal zajímat profesor Colladon z Univerzity v Ženevě, který uskutečnil demonstrační pokusy již v roce 1841. Řešil problémy vedení světla na delší vzdálenosti pomocí optických čoček soustřeďujících světlo do ohniska, odkud sledoval jeho vedení prostřednictvím vodního paprsku, viz obrázek 3.1.1 (Hecht, 1999). Úvaha o tom, že lze vést plyn, teplo a vodu skrze potrubí, přivedla Čikoleva na myšlenku osvětlení budov pomocí trubic vedoucích světlo z elektrických lamp. V roce 1874 navrhl a realizoval duté světlovody se zrcadlovým povrchem v Ochtinské továrně na výrobu střelného prachu. Těmito světlovody se dopravovalo světlo z elektrické obloukové lampy, instalované ve věži umístěné mimo budovy továrny (obr. 3.1.2). Světlo se směrovalo do místností zrcadly a zde se rozptylovalo polokoulemi vytvářejícími difuzní světlo. Čikolev publikoval výsledky své práce v roce 1880 (Aizenberg, 2001). Téměř ve stejné době jako Čikolev se v USA problémem vedení světla od výkonných elektrických obloukovek pomocí světlovodů zabývali Neal, Lake, Molera, Cebrian a Wheeler.


7.4.2009 21:47:10


2 4 1 3

Obr. 3.1.1 Vedení světla vodním paprskem podle Colladona (Hecht, 1999) 1 – zdroj světla, 2 – voda, 3 – světelný paprsek sleduje vodní proud, 4 – optická čočka

Obr. 3.1.2 Čikolevova osvětlovací soustava (Aizenberg, 2001) a) řez budovou, b) půdorys budovou, c) schéma vedení světla, d) oblouková lampa, 1 – kondenzor, 2 až 7 – osvětlované prostory, 8 – hlavice pro rozdělování a rozptyl světla, 9, 10 – odrazné a propustné plochy světlovodu, 11 – difuzor


7.4.2009 21:47:10


21

Neal (1878) navrhl způsob vedení, větvení a přerozdělování světelného toku světelných zdrojů zrcadly, čočkami a rozptylovači a též řešil využití tepla produkovaného výkonnými světelnými zdroji. Lake (1878) navrhoval použít Nealova světlovodného zařízení pro osvětlení šachet podzemních tunelů a vnitřních částí vícepodlažních budov. Neal s Lakem patentovali své světlovodné systémy v roce 1878. Molera a Cebrian (1879) publikovali teoretické práce týkající se transportu světla světlovody. Popsali osvětlovací soustavu mnohopatrové kancelářské budovy osvětlované výkonnou obloukovou lampou (se šikmo nastavenými elektrodami) a několika Fresnelovými čočkami, usměrňujícími světlo vyzařované obloukovkou. Světlovody pomocí hranolů umístěných v plášti rozdělovaly světlo do všech místností budovy (obr. 3.1.3). Američan Wheeler (1881) ve svém patentu popsal formování paralelních svazků paprsků světla pomocí optického systému s výkonným světelným zdrojem. Wheelerův osvětlovací systém řešil maximální možné využití světelného toku, jeho směrování na jednu nebo dvě strany, přenos světelného toku trubkami světlovodů, jeho rozdělení na mnoho částí a využití navrženými zářiči. V systému se měla používat sférická a eliptická zrcadla, kondenzory, hranoly a světlo rozptylující prvky (obr. 3.1.4). Stručná ukázka začátku vývoje novodobých systémů vedení světla ukazuje, že byly ve své době technicky velmi pokrokovým řešením. Se vznikem žárovek se však začalo využití umělého osvětlení ubírat zcela jiným směrem a myšlenka přenosu světla na velké vzdálenosti prostřednictvím světlovodů byla na nějaký čas zapomenuta. Ne však na dlouho. Již v roce 1900 podal Hannenborg v Norsku patent na světlovodný systém pro vedení denního světla do budovy za pomocí nástřešních zrcadel a reflexních tubusů, obrázek. 3.1.5 (Hannenborg, 1901).

Obr. 3.1.3 Světlovodné zařízení budovy dle Molery a Cebriana (1878), (Aizenberg, 2001) a) detail horní části světlovodu s Fresnelovou čočkou, b) schematický řez budovou se světlovody


7.4.2009 21:47:12


Obr. 3.1.4 Wheelerův světlovod, patent z roku 1880, (Wheeler, 1881, Hecht, 1999)

Obr. 3.1.5 Hannenborgův patent světlovodu pro vedení denního světla v budovách z roku 1900 (Zhang, 2002) a – otočné zrcadlo, b – ohnisko, a1, c, d, e – natáčecí mechanismus, f – nástřešní transparentní kryt, g, j – soustava zrcadel, h – světlovodný tubus s reflexním vnitřním povrchem, i1 – difuzor, k1, k2 – součásti natáčecího mechanismu k otočnému zrcadlu


7.4.2009 21:47:12


23

V roce 1965 Buchman (Aizenberg, 2001) znovu použil dutých světlovodů, a to nejen pro přenos světla na vzdálené místo, ale i pro osvětlení vnitřního prostoru po celé délce světlovodného tubusu. Jeho přínos spočíval v tom, že světlo výkonného zdroje zavedené do tubusu se nepřenášelo mnohonásobnými odrazy k druhému konci trubky, tak jak tomu bylo dříve, např. u systémů Wheelera nebo Čikoleva, ale vycházelo poměrně rovnoměrně částí pláště tubusu. Později byly tyto světlovody nazvány štěrbinovými a část pláště válce, jímž světlo vystupuje do osvětlovaného prostoru, dostala pojmenování optická štěrbina (Aizenberg, 2001).

Obr. 3.1.6 Schéma patentovaných světlovodů podle Aizenberga, Buchmana a Pjatigorského (Aizenberg, 2001) a) světlovod s optickými štěrbinami, b) plochý klínový světlovod, c) světlovod s polopropustným tubusem s mikroprismatickým povrchem 1 – koncentrátor, 2 – hlavice, 3 – těsnění, 4, 9 – vnější plášť světlovodu, 5, 6, b – zrcadlová plocha, 7 – optická štěrbina, 8 – polopropustný materiál s mikroprizmatickým povrchem, 9, 10 – zařízení pro přesměrování světla, 10 – reflexní plocha, 11 – polopropustný materiál


7.4.2009 21:47:13

24 Osvětlování světlovody Další dva vynálezy nových světlovodů patentovali roku 1975 Aizenberg a Buchman. Tyto systémy umožnily přenos nejen umělého, ale i slunečního světla štěrbinovými světlovodnými tubusy. Zároveň se zde využívala tepelná energie vyzařovaná výkonnými světelnými zdroji. Pro tyto systémy byla navržena tenká fólie ze speciálního pevného plastu určená pro dlouhé duté světlovody propouštějící světlo svým pláštěm. Aizenberg a Buchman spolu s Pjatigorskim v roce 1978 také navrhli, realizovali a patentovali ploché světlovody klínového tvaru určené pro dlouhé vedení, obrázek 3.1.6 (Aizenberg, 2001). Další vývoj uvedených typů světlovodů se soustředil především na vypracování teoretických metod výpočtu osvětlovacích soustav se štěrbinovými světlovody a návrhu pro jejich praktické využití. Byly vyvinuty a zavedeny do výroby speciální materiály určené pro světlovody tzv. polyetylenftalátové fólie a také nové světelné zdroje halogenidové výbojky.

3.2 Současné světlovodné systémy  Od 70 – 80tých let 20. století se začínají objevovat snahy o využití světlovodů pro vedení především denního světla. Tyto aktivity byly ovlivněny zvýšenými požadavky na pohodu vnitřního prostředí budov a dosahování vyšších energetických úspor. První zprávy o moderních světlovodech se objevily v osmdesátých letech minulého století. Zastrow a Wittwer (1986) popsali světlovod s tubusem z prizmatického polymeru s vysokou vnitřní odrazností, který byl určen pro vedení jak denního, tak i umělého světla. Jedny z prvních souborných publikací o moderních světlovodech a jejich využití v budovách zveřejnil Whitehead, kterému byly přijaty tři patenty prizmatických světlovodů v letech 1982, 1986 a 1988. Vývoj dnešních tubusových světlovodů probíhá od roku 1986, kdy Sutton patentoval v Austrálii systém jednoduchého tubusového světlíku s vysoce odraznými povrchy pro transport denního světla a který ještě zdokonalil ve svém druhém patentu v roce 1992. Patent Bixbyho vydaný v roce 1996 umožnil natáčení světlovodného tubusu. Toto řešení našlo praktické uplatnění nejen v Austrálii, ale také v Severní Americe a potom se rozšířilo do Evropy. Systém dutého světlovodu se stále vylepšoval a byly vyvinuty další produkty vycházející z originálního vzoru a patentované technologie. Shao v roce 1999 patentoval světlovod sloužící pro osvětlování a přirozené větrání. V roce 2002 podal O’Neil patent na inovaci základního rovného světlovodu. Princip patentu spočívá v úpravě tvaru. Byl navržen kónický světlovod rozšiřující se směrem k osvětlovanému prostoru, čímž se podstatně snížil počet odrazů paprsků a omezily se světelné ztráty tubusem (obr. 3.2.1). Za poměrně krátkou dobu vývoje světlovodných systémů dochází vlivem užívání nových materiálů a technologií výroby ke stálému zdokonalování jejich geometrie a optických vlastností. Výsledky vývojových prací vedly k vydání více než 20 patentů a byly publikovány ve více než 70 článcích v USA, Německu, Japonsku, Velké Británii, Francii, Itálii a jiných zemích a též předneseny na kongresech CIE v Londýně (1975), Benátkách (1978), Melbourne (1991) a na konferencích Lux Europa v Amsterdamu (1997) a v Berlíně (2005), Lux Pacifica v Nagoya (1998), Licht v Bregenzi (1998) a rovněž na celoamerických konferencích v Baltimore (1990)


7.4.2009 21:47:14


a)

25

b)

c)

Obr. 3.2.1 Patenty novodobých tubusových světlovodů (Zhang, 2002) a) patent Suttona, b) patent Bixbyho, c) patent kónického světlovodu O‘Neila

a Seattlu (1998). Zvláštní vydání časopisu Světotechnika (1981, č. 11) bylo věnováno tématice světlovodů (Aizenberg, 2001). Od poloviny devadesátých let 20. století se tubusové světlovody vyrábějí komerčně a jsou vítaným stavebním prvkem v současné snaze investorů o maximální využití denního světla ve vnitřním prostoru. Všeobecně se doporučují jako doplňkový zdroj denního osvětlení. Předpokládá se, že dosud bylo zabudováno více jak 1,5 miliónu sestav světlovodů ve více jak čtyřiceti zemích. Nejprve se začaly používat pasivní světlovody, vyznačující se pevně zabudovanými díly. Později se objevily modernější aktivní světelné systémy, které bývají vybaveny prvky aktivně reagujícími na změny venkovních světelných podmínek, např. pomocí pohyblivých zrcadel a optických čoček sloužících ke koncentraci slunečního záření. Na obrázku 3.2.2 jsou uvedena schémata pasivních osvětlovacích systémů.


7.4.2009 21:47:14

26 Osvětlování světlovody Za sv lome ětl ov ný od Přímý světlovod

ium

Atr

Stř

eš ní ok no

Okno

Světlík

Obr. 3.2.2 Pasivní systémy pro denní osvětlení budov

3.3 Pasivní světlovodné systémy  Systém pasivního tubusového světlovodu sestává z těchto částí: nástřešní kopule, světlovodný tubus, stropní kryt (většinou difuzor), doplňkové prvky jako těsnění, popř. přídavné elektrické osvětlení apod, (Bracale a kol., 2001). Nástřešní kopule sbírá oblohové světlo a umožňuje vstup slunečního záření do světlovodu. Existují také levnější řešení bez nástřešní kopule, ve kterých je tubus zakryt plochým sklem. Získávání světla může být realizováno ze střechy nebo i z fasády. Fasádní instalace ale nejsou příliš obvyklé z důvodu menších světelných zisků v porovnání se střešními instalacemi. Kopule bývá zhotovena ze skla nebo plastu (PC nebo PMMA) s vysokou světelnou propustností. Kopule může být čirá nebo s optickou čočkou umožňující koncentraci slunečních paprsků. Některé druhy kopulí jsou vybaveny nástřešním parabolickým zrcadlem otočeným směrem k jihu. Toto zrcadlo odráží světlo do tubusu a zvyšuje účinnost celého systému během slunečných dnů. Pokud je zrcadlo natáčeno, lze světlovod řadit již k aktivním osvětlovacím systémům. Na obrázku 3.3.1 je zobrazeno schéma popisující základní prvky světlovodu. Obrázek 3.3.2 prezentuje některé druhy nástřešních kopulí světlovodů. Tubus světlovodu dopravuje světlo do požadovaného prostoru v místnosti, ve speciálních případech až na konkrétní místo. Tubusy bývají nejčastěji kruhového průřezu, ale existují i instalace tubusů průřezu čtvercového nebo obdélníkového. Tyto jsou však méně účinné, neboť tvoří kouty, ve kterých se plně nevyužije světelného odrazu. Kruhové tubusy se vyrábí v různých průměrech, běžně od 250 do 1000 mm. Světlovody velkých rozměrů (průměr 1000 mm i více) a světlovodné šachty se využívají spíše pro aktivní osvětlovací systémy s nástřešními otočnými zrcadly a heliostaty, stejně jako světlovody velmi malých průměrů a systémy optických vláken.


7.4.2009 21:47:15


27

1

Obr. 3.3.1 Prvky dutého světlovodu 1 – nástřešní kopule, 2 – světlovodný tubus, 3 – stropní kryt, 4 – přechodový prvek

2 4

3

a)

b)

c)

Obr. 3.3.2 Druhy nástřešních kopulí a) čirá, hladká, b) skleněná, tvarovaná, c) skleněná, částečně prizmatická

Světlovodné tubusy se vyrábí z různých materiálů se speciálními povrchovými úpravami, nejčastěji z neprůhledných kovových plechů se zrcadlovým povrchem. Většinou jsou vyrobeny z eloxovaného hliníku a na vnitřním povrchu jsou opatřeny speciálními odraznými filmy, které zajistí vysokou odraznost dopadajícího světla, čímž se dosáhne přenosu světla na větší vzdálenosti s minimálními ztrátami. Zrcadlové tubusy mohou být pevné (rovné nebo uhýbané, sestavené z teleskopických částí) anebo ohebné (článkované). Srovnáním obou variant je zřejmé, že ohebné tubusy umožňují jednodušší instalaci, ovšem u nich dochází k větším světelným ztrátám, protože vlivem nerovného vnitřního povrchu se část dopadajícího světelného toku odráží směrem ven. Mezi pasivní světlovodné systémy se řadí také tubusy štěrbinové, u kterých světlo vchází do prostoru místnosti ze štěrbin v tubusu.


7.4.2009 21:47:16

28 Osvětlování světlovody Moderní světlovodné systémy velmi často používají transparentní tubusy. Je to výhodné zvláště v případě, že světlovody procházejí přes několik podlaží. Tyto tubusy jsou vyrobeny z plastických hmot, přičemž jejich vnitřní plocha je pokryta tenkým mikro-prizmatickým filmem, který umožňuje vysokou odraznost vedeného světla. Bez této povrchové úpravy by se světlo dostávalo přes transparentní trubici v největší intenzitě při horním vstupu a na dolním konci by byla jeho intenzita značně omezená. Mikroprizmatický film způsobí, že se světlo v maximální míře odráží od vnitřních povrchů stěn a zůstává tak uvnitř transparentního tubusu, který tvoří po celé své výšce svítící sloup (Littlefair, 1996). Uvnitř jsou umístěny světelné rozptylovače a na koncových částech jsou osazeny zrcadlové plochy. Tyto speciální tubusy se uplatňují spíše v aktivních osvětlovacích systémech. Tubusy ze skla nebo transparentních plastů bez povrchové odrazné úpravy se pro denní světlo většinou nepoužívají, neboť nemají schopnost vést světlo na větší vzdálenosti. Existují ale tzv. světelné sloupy, které se navrhují jako interiérová dekorace s instalovanými žárovkami nebo zářivkami. Pokud jsou tyto sloupy propojeny s venkovním prostředím, denní světlo zde hraje pouze doplňkovou roli. Jednotlivé typy světlovodných tubusů jsou zobrazeny na obrázku 3.3.3. V současné době se nejvíce realizují světlovody sestávající z netransparentních tubusových částí se zrcadlovou vnitřní úpravou. Právě těmto světlovodům bude v dalších částech knihy věnována pozornost. Světlovodná trubice se skládá z rovných částí a přechodových kusů (většinou pod úhlem 30° a 45°), které umožní trubici natáčet, a tak rozvádět světlo do libovolných míst i vzdáleností v interiéru. Jednotlivé přímé části světlovodu lze libovolně nastavovat, překrytí ve spojích je přibližně 25 mm. Svislé spojení se těsní silikonovým těsněním. Všechny spoje se přelepují hliníkovou páskou, která zabraňuje přístupu vlhkosti a prachu do prostoru světlovodu. Tubusy jsou v interiéru ukončeny transparentním krytem nejčastěji v úrovni stropních podhledů. Stropní kryt světlovodu většinou tvoří difuzor popř. skleněná tabule nebo podhledový kryt s reflexní mřížkou.

1 1

6

3

2 a)

1’

2

4 b)

5

c)

d)

Obr. 3.3.3 Typy světlovodných tubusů a) zrcadlový, b) transparentní s mikroprizmatickým filmem, c) zrcadlový štěrbinový, d) transparentní 1 – zrcadlový povrch, 1‘ – štěrbina, 2 – stropní difuzor, 3 – polopropustný tubus (s vnitřním mikroprizmatickým filmem), 4 – zrcadlový kryt, 5 – transparentní tubus, 6 – prvek rozptylující světlo


7.4.2009 21:47:16


29

Pro vedení světla do vnitřních částí budov se mohou také použít speciální světlovodné podhledy (anidolic ceilings) a světlo odrazné či rozptylné panely (laser cut panels), (Littlefair, 1996).

3.4 Aktivní světlovodné systémy  Aktivní světlovodné systémy využívají ke koncentraci slunečního záření optických zrcadel a optických čoček. Světlo je do budovy dopravováno světlovodnými šachtami a tubusy nebo pomocí optických kabelů a vláken. Pro zajištění rovnoměrného osvětlení v místnosti jsou tyto systémy vybaveny senzory, které řídí zapínání a vypínání zdrojů elektrického osvětlení (umístěného nejen ve světlovodu, ale i v místnosti) v závislosti na intenzitě slunečního záření a exteriérové osvětlenosti. Používají se moderní umělé osvětlovací zdroje, které se spektrálním vyzařováním blíží spektru bílého slunečního světla. Tyto aktivní systémy jsou v běžných budovách zatím málo využívané, neboť vyžadují složitá a drahá technická zařízení a jejich provozování předpokládá kvalifikovanou obsluhu. V roce 1998 se konala konference International Space Development (Mezinárodní rozvoj ve vesmíru) organizovaná National Space Society (Mezinárodní vesmírná společnost) v Milwaukee, USA. Zde byly prezentovány technické možnosti osvětlení domů na Měsíci a Marsu, obrázek 3.4.1, (www.lunar-reclamation.org/papers/habitatmoonmars_1.htm,

a)

b)

c)

d)

Obr. 3.4.1 Prezentované světlovodné systémy (podle http://isdc.nss.org/1998) a) členitý světlovod se zrcadly a výstupním difuzorem b) členitý světlovod se zrcadly a výstupním přesměrováním světla k odraznému stropu c) přímý světlovod s difuzorem d) světlovod s nástřešním koncentrátorem, soustavou optických vláken a reflexním stropem


7.4.2009 21:47:16

30 Osvětlování světlovody http://isdc.nss.org/1998). Tehdejší vize se dnes velmi blíží k nejmodernějším světlovodným řešením. Současná doba ukazuje, že tyto představy nemusí zůstat jen pouhou utopií. V mnoha zemích Evropy, v USA a Kanadě, Austrálii i Japonsku se realizují projekty aktivních osvětlovacích systémů v rámci ekologických a energeticky úsporných programů. U těchto projektů se využívají také světelné kolektory a heliostaty, popř. optické čočky sloužící ke koncentraci slunečního záření. Světelné kolektory jsou většinou parabolická zrcadla, která soustřeďují sluneční záření – po dopadu na zrcadlovou plochu, kde se zářivé paprsky odráží a koncentrují do ohniska (Dugay, 1977). V ohnisku paraboly je hustota energie, která závisí na intenzitě dopadajícího záření. Existují také rovinná zrcadla, tzv. heliostaty, které se pomocí jednoosého nebo dvouosého ovládacího zařízení natáčejí směrem ke Slunci (www.bomin-solar.de/English/heliostats. htm). Sluneční záření se od nich odráží směrem ke světlovodné části v budově. Heliostaty se vyrábí z leštěných kovů, postříbřeného skla nebo z fólie z umělé hmoty opatřené tenkou vrstvou hliníku. Heliostaty je výhodné umístit na střeše, kde bývají nejlepší podmínky pro dostupnost difuzního oblohového i přímého slunečního světla, protože je zde nejmenší stínění okolními objekty. V běžných případech je světlo odražené heliostatem před vstupem do místností rozptýleno, aby se zajistilo jeho rovnoměrnější rozložení. Světlovody je také možné docílit velmi působivých efektů v souladu s celkovým výtvarným řešením interiéru, např. směrování a vedení světla a jeho projekci na tmavou stěnu či na výstavní plochu. Za použití barevných filtrů na jeho konci, nebo umístěním barevných zrcadel v prostoru světlovodné části se mohou v interiéru uplatňovat i barevné světelné efekty. Pro koncentraci slunečního záření se také využívají optické čočky. Velmi často nacházejí využití Fresnelovy čočky. U těchto čoček jsou jednotlivé přímkové oblasti, tzv. Fresnelovy zóny, původně jinak tlusté čočky stupňovitě posunuty (Leutz a Suzuki, 2001), co umožnilo snížit hmotnost čočky a zachovat u ni podobné parametry, jaké mají běžné optické čočky. U aktivních osvětlovacích systémů se mnohdy kombinují heliostaty se zrcadly a Fresnelovými čočkami, čímž se dosahuje světelného přenosu na velké vzdálenosti. Tyto systémy využívají k vedení světla šachet, trubic i soustav optických vláken. Jedná se o finančně velmi nákladné instalace, které jsou většinou realizované v rámci demonstračních projektů. Jsou to vysoce účinné světlovodné systémy, které nacházejí své oprávněné využití hlavně v oblastech s dostatkem přímého slunečního záření po dobu celého roku. V našich klimatických podmínkách našly uplatnění především pasivní systémy dutých tubusových světlovodů a právě problematikou jejich návrhu a využití v budovách se zabývá tato kniha.


7.4.2009 21:47:17

Optické vlastnosti světlovodů

31

4 Optické vlastnosti světlovodů  Zhodnocení optických vlastností komponentů světlovodů je prvořadým úkolem pro vyhodnocení celého světlovodného systému. Pro podrobné posouzení optických vlastností prvků světlovodu je tedy nutné provést následující vyhodnocení: • stanovení spektrální propustnosti (pro vlnové délky viditelného spektra záření od 380 do 780 nm) u transparentních prvků světlovodu, • stanovení hodnot směrové propustnosti nástřešní hlavice a stropního krytu světlovodu pro zadané úhly dopadu světelných paprsků, • stanovení spektrální odraznosti vnitřních povrchů světlovodných tubusů.

4.1 Spektrální propustnost transparentních prvků  světlovodů Pro stanovení optických vlastností světlovodů ve spektrálním rozsahu 380 – 780 nm jsou důležité tyto parametry: • odraznost, vyjádřená hodnotou činitele odrazu světla ρ, • propustnost, hodnotou činitele prostupu světla τ, • pohltivost, hodnotou činitele pohlcení světla α. Významnou roli ve výpočtech osvětlenosti tubusovými světlovody hraje především světelná propustnost a odraznost. Údaje o prostupu světla transparentních materiálů jsou důležité při návrhu vhodného nástřešního a stropního krytu světlovodu. Hodnoty činitelů τ, ρ a α vybraných transparentních materiálů použitelných pro nástřešní kopule (čiré sklo, akrylát čirý) nebo stropní kryty (mohou být prizmatické, dezénované, popř. matované sklo, akrylát v opálovém zabarvení) jsou uvedeny v tabulce 4.1.1 (Plch, 2005). Tab. 4.1.1 Světelnětechnické vlastnosti různých druhů materiálů Druh materiálu

1)

Tloušťka materiálu

Činitel prostupu světla

Činitel odrazu světla

Činitel pohlcení světla

τ

ρ

α

[mm]

[–]

[–]

[–]

Čiré sklo

1 – 4

0,90 – 0,92

0,06 – 0,08

0,02 – 0,04

Prizmatické sklo

3 – 6

0,70 – 0,90

0,05 – 0,20

0,05 – 0,10

Dezénované sklo1)

3 – 6

0,60 – 0,90

0,07 – 0,20

0,03 – 0,20

Matované sklo1)

2 – 3

0,63 – 0,78

0,12 – 0,20

0,10 – 0,17

Matované sklo2)

2 – 3

0,82 – 0,88

0,07 – 0,08

0,05 – 0,10

Akrylát – čirý

3

0,92

0,08

0,0

Akrylát – opál

3

0,55 – 0,78

0,17 – 0,41

0,04 – 0,05

světlo dopadá na lesklou stranu, 2) světlo dopadá na matovanou (dezénovanou) stranu

V dostupné technické literatuře jsou světelně technické vlastnosti materiálů většinou zadávány integrálními hodnotami, to znamená, že mají pro definovaný obor vlnových délek λ  (380 nm; 780 nm) určenu jedinou, integrovanou hodnotu τ, ρ, α. To však je z hlediska


7.4.2009 21:47:17

32 Osvětlování světlovody komplexního posouzení světlovodu nedostatečné. S ohledem na spektrální charakter přímého slunečního i difuzního světla oblohy může neznalost dostatečně přesných hodnot výrazným způsobem ovlivnit světelně technická posouzení a tím i návrh a celkovou provozní účinnost světlovodného systému. Z toho důvodu je nutné analyzovat spektrální hodnoty v celém oboru vlnových délek viditelného záření λ  <λ1; λ2>, kde λ1 je počáteční (λ2 koncová) vlnová délka. Hodnoty spektrální odraznosti, propustnosti i pohltivosti pro zadanou vlnovou délku λ jsou označovány ρ(λ), τ(λ) , α(λ), potom pro rozsah λ  (380 nm; 780 nm) dle ISO 9050:2003 platí

(4.1.1)

kde

τ(λ) ρ(λ) Dλ

je spektrální světelná propustnost (spektrální činitel prostupu), je spektrální světelná odraznost (spektrální činitel odrazu), je relativní rozdělení spektrální energie illuminantu D65.

Ukázky spektrálních propustností světla PMMA plastu a skel používaných pro nástřešní a stropní kryty světlovodů jsou uvedeny v diagramech na obrázcích 4.1.1 a 4.1.2. U stropních difuzorů je snaha zajistit nejen vysokou propustnost světla, ale také jeho rozptyl, aby nedocházelo k osvětlování místnosti pouze pod světlovodem a k nežádoucímu oslňování zraku. Z toho důvodu se pro stropní kryty světlovodů využívají skla nebo transparentní plasty, jejichž jeden povrch je dezénovaný nebo opatřený takovou úpravou, která zajistí rozptýlení dopadajícího světla, u skel může být úprava pískováním nebo leptáním. Difuzor se do světlovodu zabuduje hladkou stranou směrem dovnitř světlovodného tubusu a dezénovanou stranou směrem do interiéru. Tak se zajistí vysoký prostup světla a součas-

Obr. 4.1.1 Spektrální propustnost plastové nástřešní kopule (PMMA) světlovodu (Plch, 2005)


7.4.2009 21:47:17

Toto je pouze náhled elektronické knihy. Zakoupení její plné verze je možné v elektronickém obchodě společnosti eReading.

stavitel Grada Publishing

Recommend Documents