Светоэкология и новые технологии освещения

УДК 69.001.5, 628.972

В последние годы становится всё более ясно, что ар­хитектурно-строительная наука не может без учёта дости­жений современного прогресса технического развития от­ветить на актуальные вопросы, возникающие перед строи­тельной отраслью Республики Беларусь. Вполне понятно, что с учётом ставящихся сегодня официальных задач, боль­шая часть работ архитектурно-строительной науки посвя­щена экономике, в первую очередь - энергосбережению и другим технологиям, позволяющим экономить ресурсы и снижать стоимость строительства. Мы уже публиковали предложения по удешевлению жилья за счёт планировоч­ного решения, предложения по снижению энергопотре­бления чисто архитектурными приёмами, одновременно поднимали и некоторые вопросы экологических аспектов в архитектурном проектировании [11, 12].

Следует заметить, что до настоящего времени круг экологических проблем, в основном ограничивается чисто утилитарными факторами - удалению мусора и вредными выбросами человеческой жизнедеятельности. Но здоровье и самочувствие человека, как выясняется, во многом за­висит от того, что и как он воспринимает зрительно. Так недавно, относительно, конечно, возник новый, не совсем пока привычный, термин - «Видеоэкология» [13]. Оказа­лось, что на здоровье и самочувствие людей действует не только загрязнение окружающей среды, но и плохая безликая архитектура! Доктор (медицины, а не архитек­туры!) убедительно доказал, что традиции мировой архи­тектуры основываются на объективных законах, и прене­брежение ими приводит к довольно-таки негативным по­следствиям - не только расстраивает зрение, но и калечит нервную систему. Но восприятие среды зависит не только от её материальной формы, но и от её освещения. Мы уже публиковали исследование И.П. Реутской [14], посвящен­ное восприятию объектов архитектуры в зависимости от точки зрения и качества естественного освещения. Но вот вопросы воздействия искусственного освещения оценива­ются в архитектурно-строительной науке, в основном не с точки зрения качества, а скорее количества. Стремление видеть больше и лучше, желание продлить светлое время суток, пройдя через лучину и газовые горелки, привело от лампочки Яблочкова к применению широкого ассортимен­та различных форм электрического освещения с обильным разнообразием современных светильников.

Но тут возникает вопрос - всякое ли искусственное ос­вещение, при котором работает современный человек в све­те вышесказанного полезно для здоровья? Как совместить всё более популярное стремление зодчих к расширению корпусов зданий, дающего как экономию площади застрой­ки, так и энергоэкономический эффект? Ведь даже в яркий день в помещение глубиной более 6 метров естественный свет в необходимом количестве не проникает. Сегодня эту проблему решают просто - повесили люминесцентные или другие «лампы дневного света» - свет есть - и прекрасно.

При этом при смешанном освещении естественным с даже «полезным» искусственным светом не так-то про­сто достичь нужного результата - постоянного освещения рабочего пространства светом с оптимальными параметра­ми естественного света или его аналога. Вот и появилось новое определение - Светоэкология. Мы уже давали не­которые материалы о «интеллектуальном» свете в № 1,2 (14, 15) за прошлый год и эта статья развивает положения, разработанные Физико-техническим институтом им. А.Ф. Иоффе РАН.

Сейчас уже общепризнано, что наиболее интересные перспективы «интеллектуального» света, связаны с воз­можностью оказания положительного влияния на психо­физиологическое и общее физическое здоровье человека или, другими словами, созданием оптимальной для жиз­недеятельности световой среды. В последние годы свето­диоды, благодаря своим технико-экономическим преиму­ществам (низкое энергопотребление, длительный ресурс с минимальными эксплуатационными расходами, миниатюр­ность, конструктивная гибкость, отсутствие опасных ИК и УФ компонент излучения и др.) выдвинулись в качестве главных претендентов на роль источников освещения в бу­дущем. Действительно, успехи, достигнутые в повышении световой отдачи белых СД, впечатляют: на февраль 2014 г. рекорд для лабораторных образцов составил 300 лм/Вт, а уровень серийных приборов приблизился к 200 лм/Вт [1]. (В качестве исторической справки отметим, что десять лет назад оптимистические прогнозы для световой отдачи СД составляли 60-80 лм/Вт).

В новой ситуации, когда мировые лидеры Nichia, Cree, Philips Lumileds, Osram вышли на примерно равный и очень высокий уровень световой отдачи, существенную роль в конкурентной борьбе приобретают качественные показатели генерируемого света. . Если речь идет об осве­щении, то это, в первую очередь, возможность реализации широко диапазона цветовых температур - 2700-6500K при обеспечении высоких значений индексов цветопередачи [2]. По современным требованиям для высококлассного освещения общий индекс цветопередачи Ra должен быть не менее 95, а специальные индексы цветопередачи для насыщенных цветов R8-RI4, по крайней мере, не ниже 85. Наконец, новое и, вероятно, важнейшее качество ос­вещения - управляемость, то есть возможность измене­ния в процессе работы спектрально-цветовых параметров. Управляемость по спектру (или цвету) кардинально рас­ширяет функциональные возможности источников света, меняя подходы к решению множества светотехнических задач, от наиболее масштабной - общего освещения, в том числе комфортное смешанное и в глубине помещения, до специальных: медицина, особенно хирургия,, агротехника, архитектурно-декоративная подсветка, музейное освеще­ние. [4,5]. Степень управляемости может быть разной: от варьирования во времени в определенном диапазоне цве­товой температуры до воспроизведения широкой гаммы естественных цветов, включающей миллионы цветовых оттенков.

Вопросы оптимизации цветосмешения для полу­чения белого света с заданной цветовой температурой и оптимальным компромиссом в соотношении «световая отдача - индекс цветопередачи» применительно к СД под­робно исследовались в последнее десятилетие [6-8]. Один из главных полученных результатов кратко заключается в следующем: при типичной полуширине спектров полупро­водниковых излучателей Dl0.5 ~15-40 нм получение белого света с высоким значением общего индекса цветопередачи Ra > 95 требует сложения излучения 4-5-ти полупроводни­ковых излучателей с пиковыми длинами волн 1peak, относи­тельно равномерно распределенных в видимом диапазоне. Дальнейшее, более плотное заполнение спектра излучения абсолютно черного тела (АЧТ) за счет увеличения числа СД, мало что добавляет к значению Ra, но ведет к заметным потерям световой отдачи и усложнению системы. В то же время, даже небольшое отклонение пиковой длины волны Ipeak отдельных СД от оптимальных значений может приво­дить к резкому падению отдельных индексов цветопере­дачи, особенно R8-Ru относящихся к насыщенным цветам. Использование для цветосмешения люминофорных СД с более широким спектром Dl0.5~70-100нм, естественно, об­легчает проблему.

Экспериментальные исследования в совокупности с моделированием при широком охвате исходных спектров по lpeak, и Dl0.5 показывают, что для синтеза высококачественного белого света в широком диапазоне Тс = 2500- 10000К оптимальным является набор 6 спектральных полос полупроводниковых СД. При этом для каждой кон­кретной цветовой температуры T достаточно сложение 4-х полос. Выбор 6-цветного светодиодного модуля обуслов­лен стремлением повысить его универсальность за счет перекрытие широкого диапазона T и акцентирования неко­торых цветов для специальных условий освещения (микро­скопия, хирургия, музеи).

Разработка конструкции и технологии изготовления энергоэффективных динамически управляемых светоди­одных источников освещения (ЭДУСИО), обеспечиваю­щие оптимальную световую среду для жизнедеятельности человека. предназначаются для освещения жилых, обще­ственных и производственных помещений с обеспечением возможности регулирования спектрально-цветовых и яр­костных характеристик освещения во времени для создания оптимальной световой среды, а именно:

• Имитация внутри помещений, лишённых окон, естественного, отвечающего биологическим ци­клам, освещения с плавным изменением цветовой температуры в течение дня, особенно при дефици­те в зимний период естественного света;
• Создание специальных условий освещения:
  • для повышения работоспособности и концентра­ции внимания персонала, работающего при боль­ших психофизических нагрузках (авиадиспетче­ры, операторы центров управления, экипажи авто­номных объектов: подводные лодки, космические корабли и др.);
  • для релаксации и снятия нервного напряжения у перечисленного выше персонала, а также людей испытавших стрессовые нагрузки (военные, МЧС и др.)
• Музейное освещение с обеспечением наилучшего воспроизведение всей цветовой палитры живопи­си и создания комфортной световой среды для вос­приятия предметов искусства;
• Осветительные системы для освещения медицин­ских учреждений.

ЭДУСИО обеспечивают излучение белого света со спектрально-цветовыми и яркостными характеристиками, изменяемыми во времени по заданной плавной программе (рис 1а,б). Управление параметрами излучения осущест­вляется дистанционно по радиоканалу от пульта дистанци­онного управления (ПДУ) или персонального компьютера (ПК). При этом обеспечиваются три режима работы:

• «Выключено» - сеть 220 В отключена;
• «Дежурный режим (спящий)» - питание 220 В вклю­чено, свет выключен;
• «Рабочий режим» - работа в режиме обеспечения заданных требований к цветовым (калориметриче­ским) и световым (фотометрическим) характери­стикам.

Микроконтроллер обеспечивает прием команд управ­ления от ПДУ или ПК, управление световыми характери­стиками, контроль температуры платы светодиодов (не бо­лее 50°с)

Мощность потребления ЭДУСИО от источника пита­ния не превышает 40 Вт в рабочем режиме, что позволя­ет не предусматривать наличие корректора коэффициента мощности. В дежурном режиме мощность рассеяния не превышает 0,5 Вт.

ПДУ ЭДУСИО обеспечивает: хранение во внутренней памяти режимов работы ЭДУСИО; выбор программы и времени работы пользователем с помощью кнопок ПДУ; управление работой ЭДУСИО; синхронизацию работы не­скольких ЭДУСИО; привязку режима работы к реальному времени (времени суток); управление ЭДУСИО (Соответ­ствующий интерфейс позволяет легко выбирать цветовые характеристики и изменять во времени по заданному алго­ритму цвет и яркость излучения плавное изменение спектра излучения в течение суток с возможностью последующего повторения цикла) по радиоканалу на расстоянии до 35 ме­тров.

Разветвленная сеть ЭДУСИО Стандарт ZigBee отно­сится к устройствам локальных радиосетей - устройства малого радиуса действия, используемые для замены физи­ческих кабелей в локальных сетях передачи данных в пре­делах здания (помещения).

Спецификация ZigBee ориентирована на приложения, требующие гарантированной безопасной передачи данных при относительно небольших скоростях и возможности длительной работы сетевых устройств от автономных ис­точников питания. Технология ZigBee позволяет при малом энергопотреблении поддерживать не только простые топо­логии сети, но и самоорганизующуюся и самовосстанавли­вающуюся ячеистую топологию с ретрансляцией и марш­рутизацией сообщений. Стандарт ZigBee предписывает беспроводным устройствам иметь рабочий цикл не более 1% от всего времени работы, что позволяет продлить время автономной работы датчика от нескольких месяцев до не­скольких лет.

Достоинством стандарта ZigBee является возможность беспроводного изменения основных параметров новых устройств, вводимых в уже готовую сеть, Механизм удален­ного управления позволяет значительно расширить энер­госберегающие функции в том числе за счет возможности динамического изменения конфигурации параметров сети. Устройства ZigBee обладают одним из самых маломощных передатчиков в сочетании с самым чувствительным из всех конкурентов приемников. Такая комбинация дает очевид­ный положительный эффект - значительно меньшую сте­пень облучения людей, находящихся в зоне работы сети. Это особенно актуально для ЭДУСИО, учитывая основное назначение устройства - обеспечение оптимальной све­товой среды для жизнедеятельности человека в условиях присутствия персонала. В этом случае, технология ZigBee наилучшем образом будет отвечать условиям безопасности и экологичности окружающей среды из всего набора бес­проводных стандартов.

Ключевым элементом источника является полихром- ный СД модуль. Современная СД промышленность (зару­бежная) предлагает широкую номенклатуру 3-4-х цветных эффективных и мощных СД в качестве элементной базы для полихромных источников. Среди лучших: Cree Inc. (XLamp XM-L Color, XLamp MC-E Color), LedEngin (LZ4-00MA10, LZ4-04MDCA), Luminus (CBM-380), они применялись нами в предыдущих разработках [9]. Их главное достоин­ство - максимальные на сегодняшний день энергетические характеристики, ограничение - неполная цветовая гамма. Это либо RGBA, либо RGBW излучатели, где R, G, B, A - монохромные красные (630нм), зеленые (520нм), синие (460нм) и желтые (590нм) СД, а W - люминофорные СД холодного Тс ~6500K или нейтрального Тс ~4000K белого света. Для преодоления указанного ограничения и создания эффективных излучателей на «дефицитные» длины волн, в ФТИ им. А.Ф.Иоффе совместно с НТЦ микроэлектроники РАН активно ведутся исследования по совершенствованию ростовых технологий излучающих гетероструктур в систе­ме AlInGaN. были выращены гетероструктуры типа двой­ной синий - сине-зеленый (460+490нм) или синий плюс глубокий зеленый (460+560нм) и др. [10], то есть варианты СД, необходимые для достижения высоких индексов цве­топередачи, но отсутствующие на рынке. Опытные образ­цы таких излучающих кристаллов используются в нашем 6-цветном модуле , фотография которого представлена на рис.1в. в сравнении с известными промышленными об­разцами LZ4-04MDCA (Led Engin) и XLamp XM-L Color (Cree) . Всего в источнике задействовано 9 последователь­но включенных 6-цветных модуля.

Вышеописанный прибор является достаточно универ­сальным источником света, предполагающим широкое при­менение для общего освещения, музейного освещения, в медицине.

Таким образом, возможно сделать вывод о том, что ре­шение поставленных вопросов лежит в описанном выше применении «интеллектуального» света - автоматическом регулировании яркости и цветности света светодиодных светильников в зависимости от состояния естественного освещения помещений - как в зоне нормативного освеще­ния естественным светом, так и в глубине помещения. Раз­работаны светодиодные, динамически управляемые, спек- трально-перестраиваемые источники света различного назначения, позволяющие синтезировать либо белый свет в широком диапазоне цветовых температур, либо окрашен­ное излучение различных цветовых оттенков. Подобные источники света представляют большой интерес, как для общего освещения, так и для ряда специальных примене­ний: архитектурно-художественной подсветки, освещения операционных, микроскопии, фототерапии, коррекции пси­хофизиологического состояния человека, агротехники и т. д.

Применительно к музеям, художественным галереям, выставкам позволяют успешно решать не только технико­экономические вопросы (экономия электроэнергии, эксплу­атационных расходов, снижение опасностей загрязнения вредными веществами, повреждения от УФ и ИК компо­нент излучения и др.), но и радикально меняют всю кон­цепцию освещения художественных объектов. Появляется возможность индивидуальной настройки спектральных и цветовых параметров освещения, отвечающим условиям наилучшего зрительного восприятия цветов, что особенно актуально для произведений живописи с широкой цвето­вой палитрой.

Попутно решается и другая проблема : создание впе­чатления связи с внешним пространством при физическом отсутствии токового, что также работает как экологический (светоэкологический) компонент архитектурного решения. Есть основания полагать, что у нас у всех в какой-то сте­пени имеются зачатки клаустрофобии. Человек подсозна­тельно ощущает некий дискомфорт, не имея чувства связи с окружающей средой, и это может привести к ослаблению иммунитета. Феномен достаточно не изученный, но наблю­даемый на практике . Учёт этого обстоятельства также мог бы значительно повысить светоэкологический климат глу­боких и замкнутых помещений при автоматическом регу­лировании освещённости светодиодными светильниками.

Учитывая достаточно серьёзные наработки в этой об­ласти было бы целесообразно проработать и определённые нормативные рекомендации, учитывающие кроме количе­ственных и качественные параметры светового климата в архитектурно-строительном проектировании.

Работа выполнена при поддержке Минобрнауки РФ (контракт №02.G25.31.0014) с учётом договора о сотрудни­честве между БНТУ и НТЦ МиСГ РАН.

]]>]]>]]>]]>]]>]]>
 

Рис.1. Фото общего вида ЭДУСИО с пультами управления (а), электрическая блок-схема (б), общий вид мультикристальных светодиодных матриц в сравнении с мировыми аналогами (в)

 

литература

1. Cree’sMK-R LED Offers up to 200 Lumen-Per-Watt. LED professional Review 35, 2013, 6 Lighting// J. of Display Technology 3 (2), 2007, p.160.

2. Specifications for the Chromaticity of Solid State Lighting Products. ANSI/NEMA C78.377-2008.

3. LED Engin Achieves Highest Color Rendering in World’s Smallest LED Emitters for High-End Directional Lighting/. LED Professional Review LpR 37 | May/June 2013, p.28. URL: www. led-professional. com/products/leds_led_mod- ules/led-engin-achieves-highest-color-rendering-in- world2019s-smallest-led-emitters-for-high-end-direction- al-lighting

4. А.Л. Закгейм. Светодиодные системы освещения: энергоэффективность, зрительное восприятие, без­опасность для здоровья человека. Светотехника, №6 (2012), c.12-21

5. В.Н. Аладов, И.П.Реутская, А.В. Аладов, А.Л. Закгейм, М.Н. Мизеров, А.Е.Черняков. Динамически управляе­мая световая среда как неотъемлемый компонент экологической архитектурной среды. Архитектура и строительные науки №1,2 (14-15) 2013, с.2-6

6. A. Zukauskas., R.Vaicekauskas, F.Ivanauskas, R.Gaska, M.S.Shur. Optimization of white polychromatic semicon­ductor lamps//Appl. Phys. Lett. 80 (2002), 234

7. S.Chhajed Y.Xi, Y.-L. Li, Th.Gessmann, E. F. Schubert. Influence of junction temperature on chromaticity and color-rendering properties of trichromatic white-light sources based on light-emitting diodes// J. Appl.Phys., 97 (2005) 054506

8. Гутцайт Э.М., Закгейм А.Л., Коган Л. М., Маслов В.Э.,

Сощин Н.П., Юнович АЭ. Анализ спектральных ха­рактеристик светодиодных модулей для воспроизве­дения стандартных источников света. // Сборник статей 9-го Белорусско-Российского   семинара

«Полупроводниковые лазеры и системы на их основе» Минск, 28~31 мая 2013 г. с.186-190.

9. А.В. Аладов, Е.Д. Васильева, А.Л. Закгейм, Г.В. Иткин- сон, В.В. Лундин, М.Н. Мизеров, В.М. Устинов, А.Ф. Цацульников. О современных мощных светодиодах и их светотехническом применении. Светотехника №.3 (2010), с.8-16

10. А.Ф. Цацульников, В.В. Лундин, А.В. Сахаров, Е.Е. За- варин, С.О. Усов, А.Е. Николаев, Н.В. Крыжановская, М.А. Синицын, ВС. Сизов, А.Л. Закгейм, М.Н. Мизеров. Монолитный белый светодиод с активной областью на основе квантовых ям InGaN, разделенных коротко­периодными InGaN/GaN-сверхрешетками. Физика и техника полупроводников, 2010, том 44, вып. 6. c. 837

11. Аладов В.Н.,Реутская И.П.,Рак Т.А. Развитие номен­клатуры квартир и типологии многоквартирных жи­лых зданий в современных социально-экономических условиях. \ // АИСН№1(8С2-5

12. Аладов В.Н. Новые типы д домов-комплексов с обслу- живанием.//АИСН№1 (11) .с7-9

13. Филин В.А. Видеоэкология. Что для глаза хорошо, а что - плохо. М; Видеоэкология,2006;-512 с

14. Реутская И.П. ,ПрокопеноК.И. Экологическая ком­фортность архитектурной среды жилища.// АИСН №1,2 (12,13) с9 -11

Поступила в редакцию 17.09.2014 г.