UTILIZAREA MODERNĂ A LUMINII NATURALEÎN SISTEMELE DE ILUMINAT INTERIOR

Cornel BIANCHI, Cosmin ŢICLEANUUniversitatea Tehnică de Construcţii Bucureşti

Utilizarea corectă a luminii naturale în interiorul clădirilor este o necesitate deosebită, determinată azi nu numai de efectul psihologic pozitiv, dar şi de posibilităţile pe care le oferă structurile de acces moderne izolante termic. În lucrare sunt tratate majoritatea modurilor de acces al luminii naturale în clădiri, inclusiv sistemele de prelucrare şi control permanent, utilizate pe plan mondial, precum şi cele originale emise de CNRI şi CIE. De asemenea, este pusă în evidenţă condiţia determinantă a confortului vizual pentru echilibrul luminanţelor în câmpul vizual central şi periferic, şi anume integrarea iluminatului natural cu cel electric. Acest aspect trebuie asigurat permanent primit-o procesare controlată automat, pentru asigurarea nivelului de iluminare şi de luminanţă constant şi echilibrat, în condiţiile variaţiei diurne şi de vreme. Lucrarea îşi propune prin analiza realizată să structureze cadrul necesar implementării în România a sistemelor de iluminat integrate moderne.

1. Introducere

Utilizarea eficientă a luminii naturale, ca o componentă necesară prin calităţile sale în sistemele de iluminat interior, a devenit astăzi un aspect deosebit de important în tratarea modernă a concepţiei sistemelor de iluminat integrate. Lumina naturală, extrem de variabilă, prezintă efecte pozitive şi poate conduce la economie de energie (figura 1) cu condiţia unei armonizări cu cea artificială, care trebuie să realizeze permanent compensarea variabilităţii printr-un sistem integrat dinamic, capabil să asigure mediul luminos interior confortabil, funcţional şi estetic. Desigur, acest proces se poate realiza printr-o procesare automată şi printr-o sincronizare a celor două componente.

Figura 1 Efectele luminii naturale în sistemele de iluminat interior

În ultimele decenii, pe plan european şi internaţional, s-a generalizat tratarea globală a concepţiei / proiectării „sistemului energetic clădire” (figura 2), care cuprinde structura constructivă-arhitecturală, plus toate utilităţile sale şi evaluarea schimbului energetic (termic) cu mediul înconjurător, precum şi implicaţiile, de exemplu, ale accesului luminii naturale asupra transferului termic pozitiv sau negativ (vara sau iarna).

Figura 2 Componentele de bază ale sistemului energetic – clădire.

De asemenea, clădirile moderne sunt dotate cu sisteme de control şi comandă automată pentru asigurarea parametrilor recomandaţi şi a confortului termic, aeraulic (puritate fără conţinut de elemente toxice), luminos ş.a.

Consumul de energie electrică al sistemelor de iluminat artificial reprezintă 40-50 % din energia totală consumată pentru clădiri cu destinaţie comercială sau administrativă şi 10-20 % pentru clădiri industriale. Lumina naturală poate reduce substanţial necesarul de iluminat artificial şi costurile energetice prin integrarea cu iluminatul artificial eficient (de exemplu, prin utilizarea balasturilor electronice), diminuându-se astfel puterea electrică instalată pentru iluminat. Noile sisteme de control al luminii naturale au dezvoltat tehnicile de iluminat natural. Multe astfel de sisteme au posibilitatea să controleze accesul luminii naturale şi aportul de căldură datorată radiaţiei solare, pentru a menţine confortul vizual şi termic al mediului interior.

Figura 3 Variante de transfer al luminii naturale în clădire

Accesul luminii naturale în clădire poate fi realizat prin sistemul clasic de ferestre sau prin intermediul structurilor interioare centrale (atriumuri), care oferă posibilitatea transferului luminii naturale prin zonele vitrate laterale. De asemenea, există şi o altă posibilitate, care presupune utilizarea tuburilor de lumină pentru realizarea transferului luminii (figura 3).

2. Sisteme de transfer cu ferestre şi plafoane / zone de plafon

Sistemul de transfer al luminii naturale prin ferestre nu este practic decât o deschidere în structura clădirii. Fereastra este şi astăzi sursa predominantă de lumină naturală. Dintr-o varietate de motive însă, un sistem vertical de iluminat natural nu este întotdeauna o sursă ideală de lumină. Lumina solară directă este adeseori o sursă de lumină necorespunzătoare într-un spaţiu interior datorită intensităţii şi direcţiei sale, care produc orbirea ocupanţilor clădirii. Pe de altă parte, lumina difuză nu pătrunde în adâncimea spaţiilor interioare prevăzute cu ferestre clasice. Astfel, provocarea în această direcţie constă în dezvoltarea mijloacelor de utilizare atât a luminii naturale directe, cât şi a celei difuze, menţinând în acelaşi timp şi chiar îmbunătăţind confortul vizual al ocupanţilor, în întregul spaţiu interior.

Figura 4 Scăderea foarte accentuată a nivelului de iluminare cu adâncimea încăperii (pentru ferestre clasice)

Pe de altă parte, nivelul de iluminare determinat de accesul lateral al luminii naturale (dinspre ferestre clasice) cunoaşte o scădere foarte accentuată cu adâncimea spaţiului iluminat (figura 4), impunându-se utilizarea structurilor moderne de prelucrare şi control al luminii naturale sau/şi funcţionarea unui sistem de iluminat electric permanent suplimentar.

Figura 5 Compensarea scăderii aportului de lumină naturală prin funcţionarea în trepte a iluminatului electric suplimentar

Astfel, dacă adâncimea încăperii faţă de zona de acces al luminii naturale (ferestre clasice) este mai mare de 3-4 ori faţă de înălţimea încăperii la dimensiuni medii ale ferestrelor, atunci se impune în zona opusă ferestrelor un iluminat suplimentar permanent, în conformitate cu reglementările internaţionale (figura 5). Se poate observa în figură realizarea echilibrului distribuţiei nivelului de iluminare global natural + electric (curba 3) prin funcţionarea în trepte a sistemului de iluminat electric (curba 2), pe şiruri: şirul I (cel mai apropiat de ferestre) – 0%, şirul II – 25%, şirul III – 50%. Soluţia optimă constă în realizarea unui sistem de control automat al iluminatului electric suplimentar, capabil să compenseze permanent variabilitatea aportului de lumină naturală (curba1).

În continuare sunt prezentate grafic (figurile 6 – 15) diverse soluţii de prelucrare şi control al distribuţiei luminii naturale în interiorul clădirilor, atât pentru acces lateral prin ferestre, cât şi pentru acces superior prin plafoane sau zone de plafon.

Figura 6 Acces protejat (controlat) şi dirijat al luminii naturale cu ecran difuzant parţial (sus)

Figura 7 Acces prelucrat (controlat) al luminii naturale cu ecran reflectant superior

Figura 8 Acces prelucrat (controlat) al luminii naturale cu ecran refractant superior şi plafon reliefat

Figura 9 Acces protejat, dirijat şi prelucrat al luminii naturale (controlat) cu ecran cu trei regiuni: 1 – microoglindă superioară care dirijează lumina naturală către plafon; 2 – material difuzant în zona medie; 3 – acces direct în zona inferioară. Se obţine astfel Emx ~

Em şi Emin ~ Em

Figura 10 Efectul prelucrat (controlat) al accesului luminii naturale prin dispunerea specială a ferestrelor

Figura 11 Prelucrarea (controlul) luminii naturale înainte de accesul prin ferestre

Figura 12 Accesul luminii naturale prin plafon transparent şi dirijat şi prelucrat (controlat) cu ecran cu lamele reflectante

Figura 13 Prelucrare multiplă prin reflexie, transmisie şi refracţie

Figura 14 Soluţie de sistem integrat: iluminat natural direct prelucrat (plafon difuzant) şi iluminat electric direct

Figura 15 Soluţie de sistem integrat: iluminat natural direct / indirect prelucrat şi iluminat electric indirect

3. Structuri centrale interioare de tip atrium

Sistemele de iluminat natural de perimetru, cum sunt ferestrele, transmit lumina naturală la aproximativ 5 metri în interiorul clădirii. Tehnicile de iluminat natural cu zonă centrală transmit lumina naturală mult mai adânc în interiorul clădirii. În varianta modernă V2 de acces al luminii naturale, zona centrală devine, dintr-o zonă fără lumină naturală (figura 16), o zonă de „alimentare cu lumină naturală” (figura 17), de la care aceasta se poate transfera prin ferestre / pereţi vitraţi în zona adiacentă, compensând accesul redus al luminii de la ferestrele exterioare şi determinând eliminarea sistemului de iluminat electric suplimentar. Se obţine astfel o reducere substanţială a consumului de energie electrică pentru iluminatul interior în timpul zilei.

Figura 16 Secţiune printr-o clădire cu structură tradiţională cu birouri (eventual adânci), în care zona centrală funcţională (scară, ascensoare, grupuri sanitare ş.a.) este neagră, fără aport de lumină naturală

Figura 17 Vedere asupra unui spaţiu cu aport de lumină naturală de la zona centrală interioară

În figura 18 poate fi urmărită o clădire modernă realizată în 1991 la Zoug – Elveţia, destinată birourilor administrative şi care utilizează o structură centrală octogonală, deschisă prin vitrare nesimetrică (funcţie de orientare în timpul desfăşurării activităţii) pe ultimele două etaje şi suplimentar încă un etaj deasupra ultimului nivel. Sistemul de captare este dotat şi cu heliostat cu oglindă, care urmăreşte radiaţia solară şi o transferă prin reflexie la o serie de oglinzi şi prisme, ce transmit lumina în zonele de interes din interiorul spaţiilor de circulaţie şi birourilor. Deci, practic, în afara avantajelor enumerate, zona centrală de circulaţie şi utilitară, care trebuia iluminată permanent artificial, devine o

zonă iluminată natural. De menţionat că utilizarea prismelor conduce la dispersia luminii, fiind un element decorativ (la care se poate renunţa).

Figura 18 Secţiune prin clădirea cu zona centrală iluminată natural

În figura 19 se pot observa diverse structuri interioare de tip atrium iluminate natural.

Figura 19 Structuri interioare cu aport de lumină naturală de la plafon (de tip atrium)

4. Sisteme cu tuburi de lumină

Tubul de lumină reprezintă o sursă secundară care transmite lumina de la sursa primară (artificială sau naturală) fie într-o anumită încăpere, fie la un anumit obiectiv, fie pe o anumită zonă/suprafaţă (reflectantă sau transmiţătoare) pentru realizarea sistemului de iluminat necesar desfăşurării unei activităţi. Transmiterea luminii se poate realiza fie la capătul tubului de unde aceasta este distribuită şi orientată în funcţie de necesităţile obiectivului, fie pe parcurs prin transfer lateral către obiectivele dorite.

Tubul de lumină transmite radiaţia luminoasă în interiorul său pe baza reflexiei interne totale produse prin structura filmului optic de 0,5 mm grosime (SOLF – Scotch Optical Lighting Film – produs de Compania 3M) realizat din acril sau policarbonat transparent, care are suprafaţa exterioară prezentând o structură prismatică, necesară reflexiei totale, suprafaţa interioară fiind plană. Filmul optic este îmbrăcat de un tub de protecţie de 25 mm diametru ce se montează perfect pe acesta.

Această sursă modernă de lumină prezintă posibilităţi multiple de aplicare. Principiul sistemului este prezentat în figura 20, în care se poate urmări o schiţă a unei clădiri în care lumina naturală este captată prin sistemul de oglinzi 1 şi transferată prin coloanele 2 şi 3 la fiecare nivel prin conductele 4 şi 5, şi în zona centrală prin conductele 6 şi 7. Astfel se satisfac, printr-un sistem mult mai comprimat fizic, cerinţele de completare eficiente şi economice ale nivelului de iluminare cerut în diverse încăperi ale clădirii.

Figura 20 Principiul transferului luminii naturale în interior cu ajutorul tuburilor de lumină

Sistemul de captare a luminii naturale reprezintă unitatea funcţională de cea mai mare importanţă din punct de vedere al cantităţii de lumină naturală captată (figura 21). Cu ajutorul unei lentile Fresnel, heliostatul este astfel construit încât să urmărească în mod eficient poziţia soarelui pe cer printr-o simplă rotaţie în jurul axului vertical, dat fiind faptul că unghiul de captare al lentilei permite focalizarea luminii solare pentru orice unghi de înălţime solar, specific latitudinii locului unde se realizează montarea acestui sistem. Lumina focalizată este apoi reflectată de către o oglindă spre coloana verticală de transport, cât

mai aproape de axul vertical al acesteia. Oglinda are o formă specială care permite şi captarea luminii difuze a cerului.

Figura 21 Sistem de captare a luminii solare echipat cu heliostat

În figura 22 este prezentat un sistem de iluminat integrat cu tuburi de lumină realizat la o clădire de birouri din Toronto, Canada. Lumina solară este captată de sistemul de heliostate, apoi este concentrată de un alt sistem de oglinzi, care apoi o transmite spre sistemul de tuburi de lumină prin deschideri ale acoperişului. Sistemul de iluminat este prevăzut şi cu surse de lumină artificială, menite să compenseze variabilitatea permanentă a luminii naturale. Sistemul de captare a luminii naturale conţine opt heliostate pentru urmărirea poziţiei soarelui pe cer (a). Acestea sunt oglinzi plane argintate, care redirecţionează lumina către un sistem de oglinzi parabolice (b) de focalizare, cu reflectanţa 0,945 şi raza focală de 3 m. Acestea redirecţionează lumina către o serie de deschideri în acoperiş, acoperite cu sticlă antireflectantă (c), având transmitanţa 0,985. Sub fiecare deschidere, se află un cot cu suprafaţă oglindată (d), care transmite lumina către un sistem de tuburi prismatice (e). Una sau două lămpi cu vapori de mercur la înaltă presiune şi adaosuri de halogenuri metalice de 400 W, sunt puse în funcţiune ca răspuns la semnalele fotocelulelor din deschiderile în acoperiş, pentru a completa sau înlocui lumina naturală în cazul în care cerul este acoperit sau în timpul nopţii. Aceste lămpi se află în punctul d, de fiecare parte a tubului de lumină.

Figura 22 Sistem de iluminat integrat (natural + electric) cu tuburi de lumină

În figura 23 se poate urmări o clasificare a sistemelor de iluminat integrate cu tuburi de lumină pe baza unei idei originale de integrare prin utilizarea surselor de lumină naturală şi electrică amplasate diametral opus, acţionând astfel:

când nivelul emisiei sursei naturale scade, intră în funcţiune sursa artificială cu flux reglabil şi cu rolul de menţinere a nivelului de iluminare;

când nivelul emisiei naturale a scăzut la zero (seară – noapte), sursa artificială va asigura integral nivelul de iluminare necesar.

Figura 23 Sisteme originale cu tuburi de lumină

Ca surse de lumină electrice pot fi utilizate cele mai eficiente dintre acestea, cum sunt de exemplu lămpile cu descărcări în vapori de mercur la înaltă presiune şi cu adaosuri de ioduri metalice – MH Philips, alese la o temperatură de culoare neutră / neutru cald / neutru rece, în funcţie de destinaţia încăperii. Dacă se doreşte „menţinerea psihologică” a luminii de zi, atunci orientarea va fi către neutru rece. Astfel, se pot utiliza următoarele surse:

MHN-TD – neutru rece (Tc = 4200 K) cu redare bună către foarte bună a culorilor (Ra = 85) şi eficacitate luminoasă de 70 lm/W;

MHW-TD – cald (Tc = 3000 K), cu redare bună (Ra = 75) şi eficacitate luminoasă de 75 lm/W şi/sau CDM cu caracteristici similare.

În figura 24 se poate observa schema sistemului original propus şi care va fi studiat urmărindu-se: determinarea randamentului ansamblu TL scafă / aparat – plafon, pentru diferite reflectoare

interioare; utilizarea unei scafe standard „aparat de iluminat cu distribuţie asimetrică adaptat”, capabilă să

asigure o iluminare / emitanţă cât mai uniformă a plafonului; programe de calcul adecvate.

Figura 24 Schema unui sistem de iluminat integrat indirect cu tuburi de lumină TL

Figura 25 prezintă structura unui sistem de iluminat direct-difuz cu tuburi de lumină, sub forma unui plafon luminos, pentru care se urmăreşte determinarea emitanţei acestuia, montarea optimă a sistemului pentru asigurarea uniformităţii emitanţei, precum şi utilizarea de programe de calcul. Şi în acest caz s-a prevăzut o dublă alimentare cu lumină: de la sursa naturală (N) şi de la sursa electrică (E).

Figura 25 Încăpere echipată cu plafon luminos cu tuburi de lumină: 1 – TL; 2 – plafonul difuzant transparent sau din lamele reflectorizante (preferabil); 3 – planul util; 4 – fereastră.

O variantă de utilizare directă a tuburilor de lumină poate fi urmărită în figura 26 pentru zona de circulaţie intensă a unui magazin universal (scara rulantă) la care nivelul de iluminare artificial şi natural depăşeşte 500 lx realizându-se ghidajul vizual în combinaţie cu aspectul protecţiei persoanelor şi imaginea decorativă spectaculoasă ambientală. Se remarcă alimentarea cu lumină naturală dinspre structura transparentă a plafonului zonei centrale.

Figura 26 Sistemul de iluminat cu tuburi de lumină al scării rulante la un supermagazin

5. Concluzii

Utilizarea profesională a luminii naturale în iluminatul interior este astăzi deosebit de utilă, mai mult decât oricând în trecut, datorită măririi substanţiale a rezistenţei termice a materialelor transparente în comparaţie cu geamurile clasice.

Pe lângă efectul psihologic benefic, se pot obţine economii energetice substanţiale dacă se realizează un sistem integrat iluminat natural – iluminat electric permanent dinamic, capabil să creeze prin variaţia cât mai fină a fluxului luminos emis de surse, în conexiune cu reglajul sau prelucrarea corectă a luminii naturale, un mediu luminos interior funcţional, confortabil şi estetic, capabil să asigure desfăşurarea optimă a activităţilor de muncă intelectuală sau fizică, sau pentru orice alte sarcini vizuale.

Bibliografie

1. 3M – Sollution for the New Millenium, 19992. Bianchi, C. – Luminotehnica, Ed. Tehnică 19903. Bianchi, C., Dobre, O. – Idei originale de integrare a iluminatului artificial şi natural în conexiune cu

sistemul energetic clădire, Light & Lighting 2000, Bucureşti, România.4. Bianchi, C. – Concepţia modernă a sistemelor de iluminat interior, Ediţia a VIII-a a Conferinţei

„Eficienţă, confort, conservarea energiei şi protecţia mediului”, Bucureşti, 28-30 noiembrie 20015. Hopkinson, R.G., Petherbridge, P., Longmore, J. – Daylighting, William Heinemann Ltd., Londra,

1966 6. IEA – Daylight in Buildings, International Energy Agency, Berkeley, California, 20007. PHILIPS – Lighting Manual, ediţia 15, 1993, Eindhoven, Olanda.8. Revue Internationale de l’Éclairage, PHILIPS LIGHTING nr. 4/19939. Revue de l’Éclairage LUX, nr. 183 / 1995, Paris, Franţa.10. Ţicleanu, C. – Modern Daylighting Techniques, Conferinţa Internaţională Light & Lighting 2002,

Bucureşti, Noiembrie 2002 11. Whitehead, L.A., Nodwell, R.A., Curzon, F.L. – New Efficient Light Guide for Interior Illumination,

Applied Optics, no. 21 5, 1982

Cornel BIANCHI, Profesor Dr. Ing.Universitatea Tehnică de Construcţii Bucureşti, Facultatea de Instalaţii, Catedra de Luminotehnică şi Instalaţii Electrice, Bd. Pache Protopopescu 66, RO-021414 BucureştiTel: + 40 722 79 41 49; Fax: + 40 21 252 4367; Email: cnri@xnet.ro

Cosmin ŢICLEANU, Drd. Ing.Universitatea Tehnică de Construcţii Bucureşti, Facultatea de Instalaţii, Catedra de Luminotehnică şi Instalaţii Electrice, Bd. Pache Protopopescu 66, RO-021414 BucureştiTel: + 40 722 56 34 39; Fax: + 40 21 252 4367; Email: paringul@home.ro