TEHNICI MODERNE DE UTILIZARE A LUMINII NATURALE

Sisteme ce utilizează elemente optice holograficeElementele optice holografice reprezintă o aplicaţie recentă a principiului difracţiei pentru a reflecta sau a permite accesul selectiv al luminii directe solare sau difuze a cerului. Astfel, s-au dezvoltat două tipuri de astfel de sisteme: sisteme de redirecţionare a luminii zenitale şi sisteme de ecranare selectivă.Primul tip de sistem are la bază un film polimeric cu elemente optice holografice (elemente ce prezintă o variaţie a indicelui de refracţie) laminat între două panouri de sticlă, având rolul de a redirecţiona către interiorul clădirii lumina difuză zenitală. Laminarea între panourile de sticlă asigură stabilitatea mecanică a filmului şi protecţia constra umidităţii. Atunci când asupra sistemului este incidentă lumina directă solară, se produce fenomenul de dispersie a culorilor, precum şi orbirea. Dispersia culorilor se produce şi în cazul expunerii la lumina difuză a cerului, dar pentru fiecare rază incidentă. Datorită intervalului larg de unghiuri de incidenţă, are loc recompunerea luminii albe după trecerea prin elementele optice holografice, astfel că pentru lumina difuză efectele de dispersie a culorilor sunt minime. Ca atare amplasarea acestuia este recomandată pentru faţadele ce nu sunt expuse luminii solare şi cu o înclinare de aproximativ 45° pentru a mări gradul de expunere la lumina zenitală şi prin urmare accesul acestei componente în interiorul clădirii (figura 4). Deoarece are loc şi o distorsionare a vederii prin aceste panouri, ele trebuie amplasate în partea superioară a ferestrelor, deasupra nivelului ochilor ocupanţilor.Utilizarea acestui tip de sistem este bine venită în situaţii în care vederea cerului este puternic obstrucţionată, aşa cum se întâmplă în medii urbane, precum şi pentru regiuni cu cer predominant acoperit de nori şi cu o luminanţă ridicată. Acest tip de sistem este fix, prin urmare nu necesită control, iar menţinerea presupune doar operaţiuni de curăţare. Primul sistem de acest gen a fost instalat în iulie 1996 la Köln, având un preţ destul de ridicat: 900 Euro/m2, care se speră că va scădea în cazul unei producţii de serie. Pentru moment, acest tip de sistem este încă în stadiul de cercetare, în special în ce priveşte expunerea la lumina solară directă.

Sistemele de ecranare selectivă resping lumina incidentă dinspre o regiune restrânsă a bolţii cereşti. Astfel, ele pot redirecţiona sau reflecta lumina solară directă, în timp ce transmit lumina difuză provenind din alte direcţii. Această ecranare selectivă oferă posibilitatea iluminatului natural al clădirii în condiţiile nealterării vederii către exterior.Aceste sisteme au fost dezvoltate în două variante: sisteme de ecranare transparente (în care elementele optice holografice sunt concepute pentru reflexia directă a luminii solare incidente într-un interval unghiular relativ restrâns în jurul normalei la suprafaţă; dacă se

1

Figura 1 Posibilităţi de utilizare a sistemelor de direcţionare a luminii

zenitale echipate cu elemente optice holografice.

prevede urmărirea traiectoriei soarelui pe cer prin rotirea acestor elemente, atunci se obţine ecranarea eficientă a luminii solare concomitent cu transmisia luminii difuze corespunzând altor unghiuri de incidenţă) şi sisteme de concentrare a luminii solare (în care rolul elementelor optice holografice este de a redirecţiona şi concentra lumina solară directă către elemente opace unde această lumină este reflectată, absorbită sau transformată în energie electrică sau termică). În ambele variante, elementul de ecranare trebuie să urmărească poziţia soarelui pe cer pentru rezultate optime.Aceste sisteme sunt foarte utile pentru clădiri cu suprafeţe vitrate de dimensiuni mari unde apar probleme de evitare a orbirii şi a supraîncălzirii produse de lumina solară. Ele prezintă avantajul enorm al unui bun control al radiaţiilor solare în condiţiile menţinerii unui grad ridicat de transparenţă ce asigură vederea către exterior. Pot fi instalate în faţade verticale sau suprafeţe orizontale (figura 5), rotaţia elementelor de ecranare fiind realizată la fel de bine în jurul unei axe orizontale sau verticale. Problema fenomenului de dispersie a culorilor este similară tipului de sistem prezentat mai sus.

Figura 2 Posibilităţi de utilizare a sistemelor de ecranare selectivă cu elemente optice holografice.

Datorită rotaţiei pentru urmărirea traiectoriei solare, se impune un control computerizat al acestor sisteme; menţinerea presupune operaţiuni dificile de curăţare a elementelor vitrate şi echipamentelor electromecanice. Apariţia recentă a elementelor optice holografice şi complexitatea sistemelor de control conduc la un preţ foarte ridicat al sistemelor de ecranare selectivă, valoarea totală a acestora fiind estimată la 1500 Euro/m2.

Sisteme cu tuburi de luminăTubul de lumină reprezintă o sursă secundară care transmite lumina de la sursa primară (naturală sau artificială) într-o anumită încăpere, la un anumit obiectiv sau 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.

2

Figura 3 Structura şi principiul de funcţionare a filmului optic.

Tubul de lumină transmite radiaţia luminoasă în interiorul său pe baza reflexiei interne totale (valoarea reflectanţei ajunge la 0,98) produse prin structura filmului optic de 0,5 mm grosime din acril sau policarbonat transparent, care are suprafaţa exterioară prezentând o structură prismatică, necesară reflexiei totale, suprafaţa interioară fiind plană. Filmul optic (figura 3) este îmbrăcat de un tub de protecţie de 25 mm diametru ce se montează perfect pe acesta.

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 7). 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 concentrarea luminii solare pentru orice unghi de înălţime solară, specific latitudinii locului unde se realizează montarea acestui sistem. Lumina concentrată 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 4 Sistem de captare a luminii solare echipat cu heliostat.

Un avantaj deosebit al sistemelor de iluminat cu tuburi de lumină îl reprezintă posibilitatea realizării unui iluminat natural chiar şi pentru incinte care nu au contact cu spaţiul exterior (cu utilitate importantă în asigurarea eficienţei energetice pentru staţii de metrou, parcări şi pasaje subterane etc.). Pentru realizarea confortului vizual constant, se impune integrarea şi în acest caz a iluminatului natural cu cel electric, prin prevederea unor surse suplimentare de lumină (electrice) pentru compensarea variabilităţii componentei naturale, aşa cum se poate urmări în soluţia prezentată mai jos ca exemplu, realizată la Toronto (figura 5).

Figura 5 Sistem de iluminat integrat (natural + electric) cu tuburi de lumină.

Sistemul de captare a luminii naturale conţine opt heliostate – oglinzi plane argintate, care redirecţionează lumina către un sistem de oglinzi parabolice având reflectanţa 0,945 şi raza focală 3 m. Acestea concentrează lumina către o serie de deschideri

3

practicate în structura terasei, care sunt acoperite cu sticlă antireflectantă de transmitanţă 0,985. Sub fiecare deschidere se află câte un cot cu suprafaţă oglindată care transmite lumina către un sistem de tuburi prismatice (tuburi de lumină). 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, pentru a completa sau înlocui lumina naturală în cazul în care cerul este acoperit sau pe timpul nopţii.

4