Odrazné materiály určené pro světlovody, dílčí výsledky a vysvětlení pojmů

Otázky a odpovědi

Proč je důležité znát u odrazného materiálu spektrální odraznost, a ne pouze intergrální odraznost?

Světlovody jsou primárně určeny k přenosu denního světla. Denní světlo podléhá neustálým dynamickým změnám. Mění se nejen intenzita světla, ale také spektrální složení denního světla. Pro vysvětlení, pozorovatel si tohoto jevu může povšimnout při jasné polední obloze a naopak červánků při západu slunce. Dynamika změn způsobuje stimulaci organismů, tedy i člověka, přičemž jej vytrhuje ze stereotypu. Tato stimulace je žádoucí nejen ze zdravotního hlediska jedince, ale i jeho pracovní výkonnosti a také nálady.

Světlovody mají za úkol přenést alespoň část exteriérového světla do interiérů budov pokud možno v nezměněné podobě. K útlumu při přenosu světla dochází vždy, neboť žádný materiál není dokonale odrazný, a tedy při každém odrazu světla dochází k absorpci. Lze konstatovat, že malý rozdíl velikosti činitele odrazu materiálu má velký vliv na účinnost přenosu světla světlovodem. Odrazné povrchy světlovodů mohou být také spektrálně selektivní, tzn. při dopadu světelného paprsku neodrážejí obsažené vlnové délky stejnou měrou. Při několika odrazech pozorovatel nic nezjistí, ovšem v dlouhých tubusových světlovodech se selektivita již projeví. Po mnoha odrazech se některé obsažené vlnové délky světla utlumí více a tím se změní barva světla. Je proto nutné znát hodnoty spektrálního činitele odrazu a výrobce by měl zvolit takové složení materiálů odrazné vrstvy, aby byl jeho spektrální činitel odrazu vyrovnaný v rozsahu spektra světla.

Obr. 1. Vyobrazení zrcadlového odrazu (hladký povrch)

Obr. 2. Vyobrazení odrazu na drsném povrchu

Při znalosti povrchu zkoumaného materiálu můžeme předpovědět šíření světla po dopadu na jeho povrch. Na neprůhledném materiálu dochází pouze k odrazu a pohlcení světla. Jestliže je materiál ideálně hladký, paprsek se odrazí pod stejným úhlem, pod kterým dopadl na povrch. Můžeme říci, že dochází k zrcadlovému odrazu (obr. 1 a obr. 2). Materiály ovšem ideální nejsou, a tak vznikají i odrazy do odlišných směrů, smíšené dorazy. Tímto způsobem se původně koncentrovaný svazek takřka rovnoběžných paprsků rozptyluje odrazy od stěn světlovodu. Je důležité znát celkový činitel odrazu materiálu, ale i poměr mezi zrcadlovým a difuzním činitelem odrazu. Vlastnosti povrchu odrazného materiálu popisuje tzv. dvousměrná distribuční funkce odrazu světla (BRDF – bidirectional reflection distribution function). K jejímu určení je třeba provést podrobné měření.

Materiál Spectralight^® Infinity od firmy Solatube^® International, který je nanesen na vnitřní stěně světlovodu, velikostí činitele odrazu přesahuje hodnotu 99 % pro spektrum světla. Jeho spektrální selektivita je nevýznamná, a tedy nedochází ke znatelnému ovlivnění přenášeného světla vstupujícího do interiéru budov. Díky tomu vidíme v interiéru přirozený vzhled barev předmětů, jako je tomu ve venkovním prostředí. Pro vysokou odraznost povrchu je tento materiál vhodný pro dlouhé světlovodné trasy i s vloženými koleny až do úhlu 90° k použití při osvětlování nižších pater vysokých budov.

Jaký světlovod bude nejvíce svítit?

Na světelný výstup světlovodu má vliv více parametrů. Je těžké říci, který parametr má větší váhu, protože kombinací může být nekonečně mnoho. Světlovod se skládá ze vstupní části, přenosového prostředí a výstupní části. Vstupní část představuje nástřešní kopuli různého tvaru, popř. s vloženou izolační vložkou zamezující jejímu orosení. Zde můžeme ovlivnit zachycení denního světla tvarováním a povrchovou úpravou nástřešní části, jejím umístěním do nezastíněné části střechy a zvoleným materiálem. Následuje přenosové prostředí, tedy tubus. Odraznou vrstvu lze zařadit mezi velmi významné parametry ovlivňující výstup světlovodu, a proto je vhodné zvolit materiál s co největším činitelem odrazu povrchu. Dalším parametrem je volba tvaru světlovodné trasy, přičemž je-li to možné, snažíme se o co nejpřímější světlovod. S tím úzce souvisí délka světlovodu. Čím kratší světlovod je možné instalovat, tím lepší účinnost přenosu světla je možné očekávat. Výstupem světlovodu bývá stropní kryt, difuzor. Ten se stará o redistribuci světla do prostoru interiéru. Zde jde z hlediska uživatele o příjemné rozložení jasu na ploše difuzoru obráceného do místnosti. Účinnost průchodu světla však klesá se zlepšující se rovnoměrností jasu na difuzoru. Je tedy účelné zvážit klady i zápory jednotlivých provedení difuzorů ve spojitosti se zamýšleným použitím osvětlovaného prostoru.

Průměr světlovodu je, společně s odrazným povrchem, velmi významný parametr určující množství přeneseného světla do interiéru, neboť souvisí s množstvím odrazů při přenosu světla světlovodem a dále s plochou nástřešní části, která zachytává denní světlo. O vhodné volbě jednotlivých parametrů světlovodu je proto dobré poradit se s odborníky, kteří světlovody navrhují a počítají i jejich světelný výstup. Při nevhodné volbě několika parametrů může být přínos světlovodu znatelně snížen. Konstrukce jednotlivých částí, jejich parametry a kvalita odrazného materiálu od naší společnosti představují předpoklad pro zajištění kvalitního osvětlení a spokojeného zákazníka.

Jak se mám rozhodnout mezi tolika odraznostmi?

a) Co to znamená, když materiál dosahuje účinnosti odrazu 98 a 99 % zrcadlové složky odrazu?

Vysvětlení je jednoduché. Při dopadu paprsku světla na odrazný materiál se 98 % světla odrazí, tzn. 2 % se absorbují. Z množství odraženého světla se 99 % odrazí podle zákona odrazu a 1 % se rozptýlí. Znamená to, že se zhruba 97 % světla, které dopadlo na odrazný povrch, přenáší dál a 3 % je možné považovat za ztráty při každém odrazu.

b) Jak mohu porovnat světelný výstup světlovodu s 98% odrazným povrchem a druhého světlovodu s 99,7% odrazným povrchem?

Pro porovnání je nutné u obou znát poměr mezi zrcadlovou a difuzní složkou činitele odrazu a dále určit počet odrazů při přenosu světla světlovodem. Uvažujme délku světlovodu přibližně přes jedno poschodí budovy a takovou výšku slunce nad obzorem, aby při přenosu světla vzniklo deset odrazů. Pro příklad lze vybrat materiál Alanod Miro Silver, který představuje zrcadlovou odraznost 97 %. Zbylá 3 % je zde možné považovat za ztráty, neboť difuzně odražené světlo podléhá mnoha dalším odrazům a tím přispívá ke světelnému výstupu zanedbatelným způsobem. Po deseti odrazech se tedy ztratí 26,3 % světla.

Naším porovnávaným materiálem je Spectralight^® Infinity se spektrálním činitelem odrazu dosahujícím až 99,7 %, kde zrcadlová složka představuje 99 %. Tedy při každém odrazu uvažujeme ztráty 1,3 %. Po deseti odrazech v tubusu ztráty představují pouze 12,2 %.

Můžeme konstatovat, že materiál Spectralight^® Infinity umožňuje oproti předchozímu materiálu účinnější přenos světla shodným světlovodem. Účinnější přenos světla zajistí větší úsporu energie u umělého osvětlení v interiéru a s tím spojené menší výdaje za chlazení klimatizovaných budov.

K jakým výsledkům dospělo nezávislé testování tubusového systému s materiálem Spectralight^® Infinity?

Testování odrazného materiálu od firmy Solatube^® (Spectralight^® Infinity) v optické testovací laboratoři 3M dokázalo platnost a časovou stálost mimořádně vysokého činitele odrazu materiálu. Jestliže využijete unikátní systém pro denní osvětlení budov vyvinutý firmou Solatube^® International, máte zaručenou stálou hodnotu odraznosti vnitřního povrchu světlovodu na více než dvacet let.

Proč je důležitá stálost osvětlení během roku a jak si ji mohu představit?

Schopnost běžného světlovodu přenášet světlo je závislá na výšce slunce nad obzorem, tudíž na ročním období. V zimě, tedy při malé výšce slunce nad obzorem, vzniká při přenosu světla více odrazů, což se projeví na ztrátách světla. Kromě toho je exteriérová osvětlenost výrazně nižší oproti letnímu období. Naopak v létě se slunce nachází výše nad obzorem a exteriérová osvětlenost je vysoká. Poměr mezi světelným výstupem světlovodu v zimním a letním období může pro nás představovat určitý indikátor pro hodnocení. V ideálním případě by světlovod měl přivádět stále stejný světelný tok do interiéru bez vlivu ročního období, reálně to však možné není. Důmyslnou konstrukcí kopule však můžeme krajní hodnoty světelného výstupu účinně ovlivnit (tedy světelný tok v zimním období navýšit a naopak omezit příliš silné osvětlení v letních měsících okolo poledne). Světlovody od firmy Solatube umožňují osvětlovat interiér delší dobu během dne a získávat stálejší výstup během roku.

Obr. 3. Vzhled předmětů při osvětlení světlovody z různých materiálů

O čem vypovídá činitel zachování teploty chromatičnosti světla a čím je důležitý?

Tento činitel (CTM – Color Temperature Maintenance) vypovídá o kvalitě přenosu světla světlovodem bez barevného posuvu světla. Ukazuje tedy, jak dobře světlovodný systém dokáže přenést světlo bez změny barvy. Vysoká hodnota tohoto činitele (CTM) znamená, že světlovodný systém způsobí minimální barevný posuv přenášeného světla, což z něj činí velmi vhodný světelný zdroj k osvětlení interiéru (obr. 3).

Co je to optický prostup a jaký dopad má na světelný výstup světlovodu?

Optický prostup (VT – Visual Transmittance) představuje účinnost přenosu světla optickým prostředím. Jeho hodnota se pohybuje mezi 0 a 1. Větší světelný prostup znamená, že daný světlovod je vhodnější pro denní osvětlování.

Tab. 1. Integrální činitele odrazu světla změřených vzorků

Poznámky k tabulce:
*) Měřeny byly vzorky nabízené v ČR, označení písmeny je podle požadavků dodavatelů.
**) Při měření byly použity druhy denního světla C a denních světel s teplotou chromatičnosti 5 000, 5 500, 6 500 a 7 500 K.

Jaká značka světlovodů nabízí nejlepší odraznost a účinnost přenosu světla (LTE – Light Transfer Efficiency)?

Uvedená tabulka a graf uvádějí změřenou odraznost povrchů materiálů většiny výrobců tubusových světlovodů v České republice i na Slovensku. Nezávislé měření (tab. 1 a obr. 4) za dobrovolné účasti firem prováděla Laboratoř světelné techniky v Ústavu elektroenergetiky, FEKT VUT v Brně (Ing. Jan Škoda, Ph.D., a Ing. Jan Nekvapil). Měření bylo uskutečněno na spektrofotometru Konica Minolta CM-3600D. Je však nutné podotknout, že konstrukce přístroje umožňuje měření pouze pod úhlem dopadu 8° od kolmice k odraznému materiálu.

Radomír Kučera, WT Windows Tomorrow, s. r. o.
Ing. Jan Nekvapil, VUT Brno

WT-Windows Tomorrow, s. r. o.
e-mail: info@solatube.cz
tel.: +420 608 918 484
www.solatube.cz

---

Vyšlo v časopise Světlo č. 4/2019 na straně 34.
Tištěná verze – objednejte si předplatné: pro ČR zde, pro SR zde.
Elektronická verze vyšlých časopisů zde.