Полые световоды: прошлое, настоящее, будущее

Степень развитости любого общества может быть охарактеризована так называемым светоэнергетическим уровнем. Данная характеристика измеряется в мегалюменчасах (млмч), вырабатываемых в год на одного человека. Для России это около 43 млмч, для США данная характеристика в 4-5 раз больше.

Свет несут более миллиарда его источников, расположенных повсюду, то есть на каждого человека в России приходится почти по шесть светильников. При этом еще далеко не достигнут физиологический оптимум необходимой человеку световой энергии, который в большинстве случаев должен быть в 5-10 раз выше имеющегося. Это означает, что нужно и дальше наращивать парк действующих светильников, применять источники света еще большей мощности и эффективности, еще больше расходовать материальных средств на выпуск и монтаж изделий, а главное — на их эксплуатацию. Ведь как бы долго ни служили лампы, в конце концов их приходится заменять. Во время работы светильники загрязняются, их необходимо систематически чистить. И часто это приходится делать на большой высоте, в местах, куда затруднен доступ. При этом совсем плохо обстоит дело там, где в помещениях выделяется много пыли, влаги, химически активных веществ. Особенно в пожаро- и взрывоопасных помещениях. В таких условиях характеристики приборов из-за плохого обслуживания быстро ухудшаются, светильники в основном не светят, а греют грязь, потребляя столько же электроэнергии, как и в начале работы, а любое их повреждение чревато аварией, пожаром или взрывом. Каким же образом можно снизить число устанавливаемых светильников, уменьшить протяженность электрических сетей и потерь мощности в них, как приостановить лавинообразный рост расходов на освещение? Ни одним из традиционных методов возникшую проблему решить не удается. Чем меньше мы хотим применять ламп, тем больше должна быть их мощность, а значит, и яркость, и тем реже они должны устанавливаться. А это приводит к резкому снижению качества и эффективности освещения: повышается слепящее действие источников света, ухудшается равномерность освещения, падает надежность работы осветительных установок, сокращается срок службы ламп. Итак, следует добиться того, чтобы световые потоки от небольшого количества мощных ламп определенным образом перераспределялись в пространстве и обеспечивали равномерное не слепящее освещение. Поэтому новые устройства должны иметь большие светящие поверхности малой яркости, лампы же следует концентрировать в небольшом количестве точек, которые легко обслуживать.

Идея создания и использования полых световодов, позволяющих отдалить источник излучения (часто имеющий недопустимо высокую температуру, яркость, нерациональное светораспределение, пожаро-, взрыво- и электроопасность) от освещаемого объекта, имеет более чем столетнюю историю. В последней четверти XIX века исследователи в России и США рассматривали в теоретическом плане, а некоторые реализовывали на практике идею транспортирования светового потока от мощных электрических дуг по зеркализованным изнутри металлическим трубам. Активизация работ в этом направлении практически одновременно в разных странах показала, насколько назрела задача транспортирования и перераспределения в пространстве световых потоков от единственных в то время источников — мощных электрических дуг. Однако после появления ламп накаливания и распределительных электрических сетей технический прогресс в данной области стал развиваться по другому направлению, и полые световоды как средство транспортирования излучения на большие расстояния от источников были забыты на долгие годы. Вот краткая история изобретений в этой сфере. В 1874 г. русский ученый- электротехник Владимир Чиколев, работая на Охтинском пороховом заводе, что под Санкт-Петербургом, смонтировал осветительную установку с полыми торцевыми световодами в виде зеркализованных изнутри труб, по которым во взрывоопасные помещения передавался свет от электрической дуги, установленной вне здания на специальной вышке. А в 1878 г. в США изобретатели Нил и Лэйк получили патенты на свои устройства, при этом Нил предложил не только способы транспортирования, деления и перераспределения светового потока источников света с помощью зеркал, линз и светорассеивающих элементов, но и высказал мысль об использовании выделяемого мощными лампами тепла. Лэйк же предлагал использовать свое устройство для освещения шахт, подземных многоярусных туннелей и многоэтажных зданий. В его патенте речь шла о формировании параллельных пучков света от оптической системы с мощным источником с введением света в торцы труб при полной взрыво- и пожаробезопасности устройства. В 1879 г. Молера и Кебриан опубликовали свои идеи в калифорнийском научно-техническом журнале и описали осветительную установку многоэтажного конторского здания, освещаемого с помощью мощной дуги (со стоящими под углом электродами) и несколькими линзами Френеля, направляющими в трубы световодов весь свет, генерируемый дугой. В 1881 г. сложное комбинированное осветительное устройство Виллера решало проблемы максимально полного использования светового потока источника. Речь шла о направлении его в одну или две стороны и транспортировании по трубам торцевых световодов с разбивкой потока на много частей при помощи излучателей с применением сферических и эллиптических зеркал, конденсорных линз, призм, светорассеивающих элементов.

И гораздо позже, уже в 1965 г., Г.Б. Бухман (Киев) развил идею полых световодов как средства не только транспортирования света, но и его использования для освещения по всей длине полого световода. Свет от мощного источника вводился в торец зеркализованной изнутри трубы, а выходил равномерно по всей длине трубы через часть ее боковой поверхности, не покрытой зеркально отражающим слоем. В дальнейшем такие световоды получили название щелевых световодов, а боковая поверхность, через которую свет выходит в освещаемое пространство, — оптической щели. Бухман же впервые разработал и методы расчета щелевых световодов. А через десять лет Ю.Б. Айзенберг и Г.Б. Бухман запатентовали два фундаментальных для развития полых световодов изобретения. Эти новые системы позволяли транспортировать с помощью щелевых световодов как солнечный свет, так и свет искусственных источников, а также использовать тепловую энергию, выделяемую мощными лампами. Протяженные полые световоды было предложено изготавливать из тонкой и прочной пленки из специальной пластмассы. В 1978 г. Ю.Б. Айзенберг, Г.Б. Бухман и В.М. Пятигорский предложили, запатентовали и реализовали на практике принципиально отличающуюся конструкцию плоских протяженных световодов клинообразной формы, позволяющих создавать большие светящие поверхности. А 1980 г. ознаменовался началом серийного выпуска осветительных устройств с полыми световодами производственным объединением “Ватра” (Тернополь) и Московским опытным светотехническим заводом. Примерно тогда же А.А. Коробко и О.Г. Кущ впервые сформулировали теоретические методы компьютерных расчетов щелевых световодов и осветительных установок с их использованием. Были разработаны и внедрены в производство новые специальные материалы (полиэтилентерефталатные пленки) и источники света с пускорегулирующей аппаратурой (металлогалогенные зеркальные лампы), принципы конструирования систем с протяженными полыми световодами и приборы для их фотометрирования, а также специальное технологическое оборудование для их серийного производства. В 1981 г. Л. Уайтхед (Университет Британской Колумбии, Ванкувер, Канада) изобрел призматические световоды, в которых использовался эффект полного внутреннего отражения света в продольных по отношению к оси световода призмах с углами 90° при вершинах. Такие световоды, отличаясь малыми потерями и высокой равномерностью светимости по длине, обеспечивали высокоэффективное транспортирование света от вводного до выходного торца световода. В 1985 г. Р. Аппельдорн и С. Кобб (концерн 3М, США) разработали технологии изготовления рулонной призматической пленки марки SOLF (Scotch Optical Light Film) толщиной 0,5 мм на одном из предприятий фирмы 3М. Этот технологический процесс получил название микрорепликации и сыграл большую роль в дальнейшем развитии полых световодов. Фирма TIR Systems, созданная Л. Уайтхедом и Р. Нодвелом в Ванкувере (Канада), приступила к производству призматических полых световодов с использованием SOLF. Наконец, в 1994 г. в Международной комиссии освещения появился технический комитет ТК 3.30 «Полые световоды». А каково состояние дел сегодня? В настоящее время сложилось два основных направления разработки и применения полых протяженных световодов: зеркальные щелевые световоды на основе использования металлического отражения от большей части внутренней поверхности световода (цилиндрические и плоские клиновидные световоды) и призматические световоды, основанные на использовании эффекта полного внутреннего отражения в призмах, покрывающих всю их наружную поверхность. По сравнению с протяженными круглоцилиндрическими световодами плоские клиновидные конструкции имеют целый ряд особенностей, а в ряде случаев — и преимуществ. При небольшой длине (как правило, не более 5-9 м при одностороннем вводе света) осветительные устройства с клиновидными световодами работают на основе использования коробчатых конструкций из тонколистового алюминия с высоким коэффициентом зеркального отражения, перекрытых с одной стороны (выходное отверстие световода — оптическая щель) светорассеивающей или прозрачной призматической пластмассой. Клиновидные жесткие световоды имеют более высокий КПД и при серийном производстве более дешевы. С помощью клиновидных световодов с прямоугольным поперечным сечением могут набираться поверхности большой площади (светящие потолки), могут легко варьироваться форма и архитектурное решение светящей поверхности. Такие фирмы, как Schreder (Бельгия), Socelec (Испания) и Wheitcroft (Великобритания), серийно производят клиновидные световоды с размером оптической щели от 3,3 до 5,1 м по длине и 0,274 м по ширине. Как правило, клиновидные световоды применяются для внутреннего освещения (спортзалов, бассейнов). Единственный известный случай применения клиновидных световодов для наружного освещения — крупная осветительная установка (около 500 устройств) на одном из центральных проспектов Барселоны, выполненная фирмой Socelec. Цилиндрические и клиновидные световоды успешно сочетаются в установках ввода и перераспределения в здания солнечного и искусственного света. Опорные осветительные устройства с полыми протяженными световодами представляют отдельную группу и предназначены для наружного освещения. Опора выполняет функции транспортирующего свет полого световода с низко расположенным ВУ, удобным для эксплуатации, а светораспределение обеспечивается отдельным отражателем, положение которого может регулироваться и который может иметь гладкую или фацетную зеркальную поверхность или быть диффузным, рассеивающим свет, выходящий из опоры-световода в виде узко коллимированного пучка. Для оживления вида подобных опор в их боковой поверхности выполняются декоративные пролифовки (отверстия различной формы и размера).

Неожиданное решение нестационарных осветительных устройств с эластичными диффузными каналами нашла итальянская фирма OVA. Конструкция этих световых колонн высотой 5 м и диаметром около 400 мм функционирует при непрерывном поддуве внутреннего объема световода с помощью вентилятора, питаемого от автомобильного аккумулятора. Мобильность, простота и относительная дешевизна устройства позволяют использовать его в аварийных ситуациях. Это изделие освоено в России московской фирмой «Световые технологии» (небезызвестная световая башня). Простейшие диффузные относительно короткие световоды широко применяются как для наружного (в виде вертикально или наклонно установленных светильников), так и для внутреннего освещения, в том числе декоративного. Фирма Space Cannon (Италия) широко использует такие устройства в виде различных пространственных композиций, применяя в ВУ управляемые кассеты с различными цветными фильтрами. На многих выставках и празднествах эта фирма устраивала с помощью световодов спектакли света, цвета и музыки. Все большее распространение находят декоративные вертикальные светящие колонны, столбики и торшеры с призматической пленкой SOLF (как правило, они применяются с внутренними объемными экстракторами). Интегральное (совмещенное) освещение помещений, в которые дневной свет не проникает или проникает в недостаточной степени (прежде всего это многоэтажные здания) — одна из наиболее интересных и перспективных областей применения полых световодов. Их использование также весьма целесообразно в высоких одноэтажных зданиях с большой плотностью расположения оборудования и трудностью обслуживания (супермаркеты, выставки, большие цеха) и в подвальных и заглубленных помещениях (подземные гаражи, метрополитены). Выполненные во Всероссийском научно-исследовательском, проектно- конструкторском и технологическом светотехническом институте имени Сергея Вавилова (ВНИСИ) исследования на моделях таких установок показали их высокую комфортность, экономичность и удивительную способность создавать динамичное, постоянно изменяющееся в соответствии с обстановкой естественное освещение помещений. В первой уникальной крупной осветительной установке Heliobus четырехэтажной школы в St. Gallen (Швейцария) удалось в два раза снизить установленную мощность, в 3,5-5 раз уменьшить расход электроэнергии (благодаря сокращению времени использования искусственного освещения) при качественном улучшении световой среды. Установка спроектирована во ВНИСИ и реализована совместно с фирмами Buhler/Scherler и Signer. Подобное решение было реализовано и в осветительной установке двухэтажной школы в горном поселке Schiers (Швейцария). Отличие этих двух установок — в использовании гелиостатов двух принципиально разных конструкций. В Heliobus использован стационарный гелиостат полностью герметичной конструкции. В установке школы в Schiers применены открытые зеркальные гелиостаты, имеющие две оси вращения и постоянно ориентированные на солнце, источники же света располагаются внизу, в основании световода, и их световой поток ночью частично уходит в небо. В обоих случаях внутренняя поверхность световодов покрыта призматической пленкой SOLF. Подтверждением того, сколь большое значение архитекторы придают взаимосвязи изолированных от естественного света помещений с внешним пространством, определяемой наличием солнечного света и его динамикой, служит дорогостоящая установка с полыми протяженными световодами, установленная на Potsdamer Platz в Берлине. Эти наклонные световоды позволяют ввести солнечные зайчики в подземное помещение крупного супермаркета. Световоды высотой 14, 18 и 21 м имеют стальную трубу в качестве оси конструкции, стеклянную трубу-оболочку диаметром 1 м и два слоя призматической пленки SOLF: один на внутренней поверхности стеклянной трубы, другой на наружной поверхности стальной трубы.

Разумеется, возможность передачи света и его распределения с помощью полых протяженных световодов вызвала к жизни ряд интересных научных и инженерных идей. Поскольку световод представляет собой трубу довольно большого (до 1 м) диаметра, то очевидно, что такие каналы могут служить для транспортирования не только света, но, скажем, и очищенного воздуха. В этом случае световод становится одновременно воздуховодом. Один из экспериментов ВНИСИ для проверки этой идеи и определения области применения совмещенных инженерных систем показал их жизнеспособность. Новый подход к созданию интегральных осветительных установок представляют три идеи интегральных устройств: для высоких одноэтажных зданий, для подземных помещений и для широких зданий с периметральным остеклением. Во всех случаях необходимо использование простейших герметизированных гелиостатов, требующихся для всех случаев освещения зданий в зоне индустриальных городов (без открытых оптических систем), использование одних и тех же устройств для транспортирования и перераспределения солнечного света и света ламп, вынесение из освещаемых помещений электрических сетей и всех узлов, требующих обслуживания в процессе эксплуатации, исключение выделения тепла (поступающего от солнца и ламп) в освещаемое помещение для снижения мощности систем кондиционирования воздуха, наконец, уменьшение размера отверстий в ограждающих конструкциях для ввода солнечного света. Световоды с жесткой или полужесткой оболочкой можно встраивать в конструкции зданий, что позволяет отказаться от сооружения в них технических этажей. Сейчас вспомогательные помещения двухметровой высоты, расположенные между основными этажами, используются главным образом для обслуживания сотен и тысяч встраиваемых светильников.

В заключение — еще об одной идее. За последние годы весьма популярными стали надувные сооружения — стадионы, производственные помещения, склады, госпитали. Эластичная оболочка сохраняет заданную форму благодаря избыточному давлению воздуха внутри здания. Но возникают проблемы с их освещением. Ведь крепить провода к оболочке и подвешивать к ней светильники и непросто, и небезопасно. Однако здесь в качестве несущих и формообразующих конструкций могут использоваться надувные арочные световоды, являющиеся частью оболочки этих сооружений. Более чем 30-летний опыт работы в этом направлении показывает, что постоянно появляются все новые области эффективного использования полых протяженных световодов. В 1980-е гг. внимание к данной проблеме стимулировало создание, производство и крупномасштабное применение первых в мире систем освещения полыми световодами. А потом, когда распался СССР и развалилась система централизованного планирования и снабжения, и это производство, и соответствующие исследовательские работы были практически прекращены. Зато за рубежом эта эстафета была своевременно подхвачена, и работы в области полых световодов все эти годы шли полным ходом.

Подготовил Сергей ЗОЛОТОВ по материалам illuminator.ru