Historie vývoje a užití dutých světlovodů - 2. část

Historie vývoje a užití dutých světlovodů
2. část

Úvod
Hlavní přednosti osvětlovacích zařízení s dutými světlovody a nové možnosti, jež poskytují architektům a stavbařům:

• studený kanál světlovodu bez elektrického potenciálu (napájení vstupního zařízení, izolovaného od světlovodu, je z opačné strany tohoto zařízení),

• možnost přeměnit bodové zdroje (žárovky a vysokotlaké výbojky) na svíticí přímky a plochy,

• rozložení svítivosti poskytující velkou rovnoměrnost osvětlení,

• omezení škodlivých vlivů okolního prostředí na vlastnosti světlovodů za provozu, zvláště v těžkých provozech, vlivem hermetizace a umístění výstupních optických štěrbin na spodku světlovodu,

• soustředění několika výkonných výbojek do malého počtu míst a možnost regulace osvětlení, zvýšení funkční spolehlivosti a úspory elektrické energie spínáním části nebo všech zdrojů,

• možnost měnit polohu optické štěrbiny otáčením světlovodu kolem osy a také měnit polohu celého světlovodu v prostoru až do svislého směru se vstupním zařízením nahoře nebo dole,

• možnost měnit barvu světla po celé délce světlovodu barevnými filtry ve vstupních zařízeních nebo použitím speciálních barevných světelných zdrojů,

• možnost vyloučit vstup tepla vyzařovaného výkonnými světelnými zdroji do osvětlované místnosti a rovněž možnost využít toto teplo, např. k otopu těchto místností,

• možnost zavést do budovy a uvnitř rozvést soustředěné sluneční světlo i světlo umělých světelných zdrojů jedním a tímtéž světlovodem,

• možnost použít světelné zdroje o velkém výkonu v nízkých místnostech s malými úrovněmi osvětlenosti bez oslnění,

• možnost filtrovat ultrafialové, infračervené a rovněž elektromagnetické záření vyzařované světelnými zdroji.

Uvedené vlastnosti vlnovodů umožňují:

• podstatně zmenšit počet použitých světelných zdrojů a snížit provozní náklady,

• zmenšit délku elektrických rozvodů a odpovídající ztráty energie,

• zlepšit kvalitu osvětlení dosažením větší rovnoměrnosti osvětlení a vyloučením oslnění,

• nová architekturní řešení s dlouhými svíticími prvky různého tvaru, s různými světelnými a barevnými charakteristikami, které mohou být časově proměnné,

• zmenšit tepelnou zátěž v místnosti,

• zlepšit světelné klima a zmenšit spotřebu elektrické energie využitím slunečního světla a zkrácením doby používání umělého osvětlení.

Duté světlovody nejsou univerzálním osvětlovacím zařízením, které by bylo možné používat kdekoliv. Zpravidla je efektivita dutých světlovodů tím větší, čím větší množství tradičních svítidel nahradí. Tato efektivita je komplexní, dosahuje se jí v důsledku mnoha činitelů, především zásadním zmenšením počtu použitých světelných zdrojů a svítidel, tj. obslužních míst, zlepšením rovnoměrnosti osvětlení, zvětšením udržovacího činitele při výpočtu soustav se světlovody ve srovnání s variantami s běžnými svítidly, značným zkrácením délky elektrických rozvodů, zmenšením tepelné zátěže místností a následného zmenšení příkonu klimatizačních zařízení.

K největším principiálním výhodám osvětlovacích soustav se světlovody patří nové architekturní a designérská řešení.

Realizované osvětlovací soustavy
Pro ilustraci jsou uvedeny příklady realizovaných a mnoho let provozovaných osvětlovacích soustav s dutými světlovody.

Rozsáhlá výstavní hala v Moskvě (15 000 m², délka 108 m, šířka 24 m, výška 26 m) byla osvětlena deseti řadami štěrbinových světlovodů o průměru 0,65 m (obr. 1). Napájecí (vstupní) zařízení, každé se čtyřmi reflektorovými halogenidovými výbojkami o příkonu 700 W, byla rozmístěna na čtyřech příčných obloukových mostech. Veškeré elektrické rozvody jsou vedeny příčně na lávkách, z nichž se vykonávají všechny obslužní úkony. Průměrná osvětlenost 300 lx a instalovaný příkon osvětlovací soustavy činí 185 kW. Hala s novým architekturním řešením vyniká výjimečně rovnoměrným bezestinným osvětlením. Bezpečná a pohodlná obsluha ve velké výšce vylučuje výpadky zdrojů a dovoluje pružně regulovat osvětlení a šetřit zdroje (zapnutí pouze části výbojek a (nebo) částí řad) bez změny vzhledu soustavy [2]. Analogické řešení je možné úspěšně použít v mnohých vysokých a rozlehlých prostorech (hangáry, letecké podniky, sportovní haly, výstavy, plavecké bazény).

Zcela jiná oblast použití světlovodů se nabízí při osvětlování nízkých, dlouhých a úzkých prostorů tunelů, kolektorů, krytých přechodů pro chodce, jelikož pouze světlovody dovolují při malé výšce prostory použít účinné výbojky o velkém příkonu bez nepřijatelného oslnění. Zdařilým příkladem takového řešení jsou kryté nadzemní přechody na moskevské okružní autostrádě [3].

Typový mostní přechod obloukového profilu o délce 62 m, výšce 3,1 m a šířce 3,3 m je osvětlen řadou čtyř dutých světlovodů o délce každého 12,5 m a dvou světlovodů v délce 6,5 a 5,5 m a o průměru 230 mm. Delší světlovody jsou prosvětlovány halogenidovými výbojkami 400 W, kratší – 250 W. Průměrná osvětlenost činí 120 lx při rovnoměrnosti 0,69 (E_min/E_max). Počet výbojek na přechodech se zmenšil 3,6krát, instalovaný příkon 1,25krát a osvětlenost se zvětšila 2,5krát ve srovnání s přechody osvětlenými rtuťovými vysokotlakými výbojkami 125 W se zlepšeným podáním barev. Vnější a vnitřní vzhled přechodu je na obr. 2 a obr. 3.

Principiálně odlišné architekturní možnosti ukazují osvětlovací soustavy dvou stanic moskevského metra: Serpuchovské a Čkalovské. Na první, realizovanou v roce 1983 [3], byla použita řada světlovodů o délce 60 m a o průměru 625 mm s dvanácti krychlemi, z nichž osm je čistě dekorativních (obr. 4). Ve čtyřech krychlích byla instalována vstupní (napájecí) zařízení (ve dvou koncových po dvou reflektorových halogenidových výbojkách o příkonu 700 W a ve dvou mezilehlých po čtyřech těchto výbojkách, svítících po dvou v opačném směru). Světlovody z tlusté (0,190 mm) polyetylenftalátové fólie mají pět optických štěrbin, rovnoměrně osvětlujících klenbu, sloupy a podlahu centrálního sálu. Průměrná osvětlenost 150 lx, instalovaný příkon 18 W/m2. Počet výbojek se zmenšil 30krát, délka elektrických rozvodů třikrát ve srovnání s bočními prostory nástupiště.

Centrální prostor (o délce 90 m a výšce 5 m) a dva boční prostory nástupišť (o délce 150 m) stanice Čkalovské (1996) jsou osvětleny vestavěnými obloukovými klínovitými světlovody (obr. 5) se vstupními zařízeními na obou koncích; v každém z nich jsou dvě reflektorové halogenidové výbojky o příkonu 400 W a jedna reflektorová žárovka 100 W pro nouzové osvětlení [5]. Vstupní zařízení jsou umístěna ve speciálních nikách pylonů ve výšce 2,3 m a oddělena od dutin světlovodů utěsněným teplotně odolným průhledným sklem. Průměrná osvětlenost v centrálním prostoru je 160 lx a na nástupištích 120 lx. Osvětlenost nouzového osvětlení činí 5 lx. Celkový instalovaný příkon (včetně ztrát v předřadnících) je 76,5 kW. Obloukové světlovody navozují dojem lehkosti a slavnostní nálady, vizuálně – v důsledku příčného světelného dělení prostoru – zkracují velkou délku stanice.

Podle mínění obsluhy je tato osvětlovací soustava první, u níž jsou řešeny všechny provozní problémy, jelikož světelné zdroje se vyměňují a elektrická zařízení se revidují v malé výšce a velmi pohodlně.

Příkladem funkční instalace s využitím slunečního světla i světla umělých zdrojů (současně nebo střídavě), přerozdělovaného týmiž dutými světlovody, je osvětlovací soustava školní budovy ve švýcarském městě St. Gallen [6]. Čtyřpodlažní budova (tři nadzemní a jedno suterénní podlaží) o čtvercovém půdorysu má uprostřed každého podlaží odpočinkový prostor, do nějž vedou dveře ze tříd i místností učitelů a kde děti tráví přestávky (obr. 6). Pro vstup slunečního světla do středu odpočíváren byla vyprojektována svislá světelná šachta (rozměry: 1,25 × 1,25 m v řezu) se světlíkem na střeše. Každá odpočívárna (rozměry: 5 × 5 m) byla osvětlena osmi stropními difuzními svítidly se 75W žárovkami. Toto řešení zajišťovalo naprosto nevyhovující denní i umělé osvětlení, zejména v nižších podlažích, navíc při značné spotřebě elektrické energie. To vyvolávalo nespokojenost vedení školy, žáků i jejich rodičů.

Tuto situaci bylo nutné řešit, zásadně zlepšit osvětlení, maximálně využít sluneční světlo, zlepšit estetické vlastnosti interiéru a zmenšit spotřebu elektrické energie, a to bez podstatných zásahů do konstrukce budovy, tj. s využitím stávajícího stavebního řešení, bez velkých nákladů a bez přerušení vyučování.

Na základě projektu byl realizován optický systém, v němž přijímačem slunečního světla je vyduté zrcadlo, pevně instalované na střeše budovy. K vedení a rozdělování slunečního světla je použit dutý vertikální světlovod, jenž je umístěn ve světlíkové šachtě. Přímé sluneční světlo je odraženo do světlovodu, kterým se šíří a v každém podlaží budovy vystupuje do odpočívárny [6]. Na požadavek architekta byl světlovod řešen se čtvercovým řezem (0,625 × 0,625 m) a umístěn excentricky poblíž jednoho rohu světlíku.

Principiální schéma sdruženého osvětlení odpočíváren školní budovy (obr. 7) má tyto části:

Přijímač je z hliníkového plechu, který je zevnitř pokryt odrazným materiálem Miro s činitelem odrazu 0,95. Ochranný kryt je z průhledného polymetylmetakrylátu (PMMA). Vnitřek přijímače je spolehlivě hermetizován. Výška přijímací části je 2,25 m, průměr základny 1 m (obr. 8). V přechodové části jsou umístěny tři reflektorové halogenidové výbojky 400 W.

Vertikální dutý světlovod o délce přibližně 10 m se čtvercovým řezem (0,625 × 0,625 m) zaujímá čtvrtinu půdorysu světlíkové šachty. Jeho vnější plášť je z průhledného PMMA, který jej chrání před poškozením. Vnitřní povrch světlovodu je pokryt prizmatickou fólií, která vede světlo, tzn. světlo dopadající v určitých směrech prodělává úplný vnitřní odraz a šíří se podél světlovodu a v podstatě navenek nevystupuje.

Při denním (přírodním) osvětlení je osvětlenost ve středu odpočíváren 1,5krát až 3krát a u stěn 2krát až 3krát větší než v původním stavu bez světlovodu. Při umělém osvětlení světlovodem je osvětlenost ve středu odpočíváren již při zapnuté jedné výboj-ce 2krát až 4krát větší a u stěn 2,5krát větší než při rozsvícených původních žárovkových svítidlech.

Nová osvětlovací soustava je velmi kladně hodnocena učiteli, vedením i žáky školy. Je třeba říci, že vytvořené osvětlení vytváří neobvyklý dojem. Světlo se šíří rovnoměrně a jeho zdroj není vidět. Spektrální složení světla se mění při pozorování světlovodu z různé vzdálenosti a směru. V některých případech je na povrchu světlovodu vidět duha. To všechno dodává zařízení velmi živý a tajemný vzhled, který se s časem mění podle změn na obloze (obr. 9). Světlovod „žije“ a vytváří dynamické osvětlení.

Vývoj, realizace a dlouhodobé zkoušky nového systému sdruženého osvětlení centrální části školní budovy světlovody – úvodního projektu v tomto oboru s názvem Heliobus, který získal 1. cenu na mezinárodní výstavě ochrany životního prostředí v Basileji, umožnily formulovat tyto obecné závěry:

• soustava vyniká jednoduchostí a spolehlivostí a je relativně laciná,

• spotřeba elektrické energie se velmi snížila (instalovaný příkon se zmenšil 2krát), v důsledku zkrácení doby svícení umělého osvětlení,

• délka elektrických rozvodů se zmenšila na minimum,

• provozní náklady jsou také minimální, jsou dány náklady na výměnu výbojek jednou za pět až šest let (život výbojek 15 000 h a roční doba svícení 2 500 až 3 000 h) a náklady na periodické mytí vstupního otvoru přijímacího zařízení na střeše budovy.

Kromě popsaného řešení sdruženého osvětlení centrálních částí vícepodlažních budov vertikálními světlovody je možné zajistit sdružené osvětlení rozlehlých místností velkoplošnými klínovitými světlovody (viz první část článku).

Závěr
Fyzikální a matematické modely osvětlovací soustavy třípodlažní budovy s heliostatem vertikálním světlovodem a plochými klínovitými světlovody prokázaly možnost dosáhnout 23% až 30% využití světelného toku zachyceného heliostatem [7]. Přitom vzniká bezestinné, rovnoměrné osvětlení, které je možné automaticky trvale udržovat na potřebné úrovni. Tepelnou složku slunečního záření za jasného dne lze odfiltrovat nebo využít, jak bylo již uvedeno.

Z uvedených příkladů osvětlovacích soustav s dutými světlovody vyplývá, že možnosti jejich použití jsou velmi zajímavé, rozsáhlé a perspektivní. Rozvoj tohoto směru osvětlování závisí na tvůrčích schopnostech architektů a světelných techniků.