VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016

СВЕТОВОДЫ — ТЕХНОЛОГИЯ БУДУЩЕГО.

Горбачёва А.И., Малышев Н.А.

Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет

Нижний Новгород, Россия

LIGHT TUNNELS — FUTURE TECHNOLOGIES.

Gorbacheva A. I., Malyshev N.A.NizhnyNovgorodStateUniversityofArchitectureandCivilEngineeringNizhnyNovgorod, Russia

Один из видов нетрадиционной энергии является солнечная энергия. К ее преимуществам можно отнести доступность, отсутствие вредных выбросов в атмосферу. Можно использовать солнечный свет, чтобы сократить энергопотребление. Изменение конструкции здания, увеличение окон для большего проникновения света. Этот способ не энергоэффективен, т.к. ведет к потере тепла. Решением могут быть световоды. В настоящее время актуально их использование в многоэтажных жилых домах и торговых центрах.

Цели и задачи:

• Выделить типы существующих решений.

• Исследовать принцип работы световодов.

• Определить эффективность работы световодов.

• Определить возможность реализации в жилых домах и торговых центрах.

• Оценить экономический эффект.

• Рассмотреть возможности повышения рентабельности световодов и сокращения сроков окупаемости.

• Определить возможность использования световодов в массовом строительстве.

1. Принцип работы световодов

Весь принцип работы световодов основан на полном внутреннем отражении световых пучков в оптоволокне.

Рис.1 Полное внутреннее отражение в оптоволокне

Оптическое волокно — нить из оптически прозрачного материала (стекло, пластик), используемая для переноса света.

Оптическое волокно состоит из центральной части с высоким показателем преломления (сердцевины), окружённой оболочкой из материала с низким показателем преломления.

Свет распространяется по сердцевине волокна за счёт последовательных полных внутренних отражений на границе раздела между сердцевиной и оболочкой. Полное внутреннее отражение по существу близко к идеальному, оно позволяет свету распространяться вдоль волокна на большие расстояния с минимальными потерями.

1.1 Световоды на основе оптоволокна

Вся конструкция световода состоит из трех основных элементов:

• Собирающая линза

• Оптическое волокно

• Рассеивающая линза

На крыше дома устанавливается собирающая линза. Световые пучки попадают на неё, преломляются и по оптическому волокну моментально спускаются до второй линзы - рассеивающей, которая установлена, в любом помещении без естественного освещения.

Рис. 2 Принцип работы световода на основе полупрозрачный зеркал

Таким образом, в помещении становится светло, без использования электричества.

Это конструкция довольно проста в том плане, что не происходит никакого преобразования солнечного света, к примеру, как в солнечных панелях. Происходит только его перенос с крыши в какую-либо часть здания.

1.2 Световоды на основе полупрозрачных зеркал

Эти световоды также состоят из трех основных элементов, но вместо оптического волокна используется система полупрозрачных зеркал, при попадании на них света, большая часть проходит сквозь него, а часть отражается и попадет в другую шахту.

Рис. 3 Принцип работы световода на основе полупрозрачных зеркал

2. Существующие решения на рынке

На данный момент конечный вариант на рынке не представлен. Эта технология ещё сырая, не испробованная, и не применяется, по крайней мере, массово.

Однако на рынке мы можем найти некоторые аналоги. К примеру, световые туннели с жесткой трубой.

Рис. 4 Световые туннели с жесткой трубой

Здесь используется тот же принцип переноса света, однако, на небольшие расстояния: 1-1,5 метра. [3] Это хороший вариант для частных домов.

Всем известно, оптические волокна широко используются для освещения, в декоративных целях, включая коммерческую рекламу. Поэтому на рынке представлен большой выбор разнообразных оптоволоконных светильников.

Рис. 5 Оптоволоконные светильники

Поэтому в нашей конструкции, нет ничего революционного, на рынке уже представлена продукция с похожим принципом работы: переносом света.

3. Расчет площади собирающей линзы в световоде на основе полупрозрачных зеркал

На теории все кажется легко и просто, но так ли это будет на практике? Чтобы узнать это, рассчитаем площадь собирающей линзы в световоде на основе полупрозрачных зеркал. Рассчитываем пропускную способность стекла с помощью люксометра. Она составляет 85%

Предположим, что на линзу площадью 1 падает 3000 Лк. Следовательно, в световод попадает 2550 Лк.

Проводя расчеты с различной пропускной способностью зеркал мы понимаем, что даже на первом этаже по СНиПам не будет хватать освещения. Конечно, можно установить очень большую линзу, но делать это бессмысленно: такое решение не подходит для многоэтажных жилых домов.

4. Расчет площади собирающей линзы в световоде на основе оптоволокна

Теперь попробуем рассчитать площадь линз для световода на основе оптоволокна.

Также возьмем линзу площадью 1 , с пропускной способность 0,85. И ванную комнату площадью 5 . По нормам, нам нужно 250 Лк.

= 0,1 , т.е. понадобится линза площадью 0,1 для того чтобы осветить один туалет.

Предположим, что мы будем устанавливать по одной линзе на каждый подъезд. Получаем: 0,1 *4*9=3,6 .

Нам понадобится линза площадью 3,6 для 36 квартир.

3,6/1,3 = 2,7 (1,3 – отношение выпуклой части линзы к плоской). Нам понадобится 2,7 площади кровли на одну такую линзу.

5. Экономическая эффективность световодов

5.1 Экономическая эффективность для жилых домов

Насколько же мы сможем сократить энергопотребление, используя световоды? Для этого сделаем подсчеты, на примере среднестатистической семьи.

Предположим, что свет в ванной комнате горит примерно 2 часа в сутки. Из которых 1 час - в темное время суток, а другой - в светлое. Время, когда мы можем использовать световые туннели. Мы не будем учитывать дни отъезда и другие обстоятельства.

В ванной комнате у нас расположено 3 лампочки по 100 Вт каждая. Тариф, на сегодняшний момент, составляет 4,86 рублей за 1 кВт в час.

300 Вт в день => 9000 Вт в месяц.

9 кВт 4,84 = 43,74 рублей в месяц.

Итого получаем: экономия в 43,74 рублей в месяц или 524 рубля в год.

Такой экономический эффект мало кого впечатлит. Однако можно включить сюда гардеробные, подсобки и другие помещения в зависимости от планировки квартиры. Экономическая эффективность возрастет, но не намного.

5.2 Экономическая эффективность для торговых центров

Будем рассчитывать экономическую эффективность на примере ТЦ Лента площадью 10 000 .

По СНиПам освещенность в торговых центрах должна быть не менее 400 Лк на 1 . Возьмем обычный светильник мощностью 72 Вт.

Она дает 2800 Lum, с учетом КПД - 2240 Lum.

4000000/2240 = 1785 ламп

1785*18 Вт*8 ч=257 кВт будет «нагорать» в торговом центре за 8 часов работы. При тарифе в 4,84 рубля за кВт получаем 1244 рублей в сутки.

Или 455000 рублей в год.

Заключение

Плюсы светового туннеля:

• “Бесперебойность” световых туннелей. Даже при отключении электричества, которое иногда случается, световые туннели продолжают «работать».

• Снижение энергопотребления. (Расчёт снижения энергопотребления приведён ниже)

• Долгий срок службы

Минусы светового тоннеля:

• Отсутствие готовых решений на рынке.

• Работать световые туннели будут только в светлое время суток. Причем зимой, светлое время суток значительно сокращается, следовательно, и эффективность будет ниже.

• Реконструкция уже существующих зданий не возможна, так как оптическое волокно придется проводить внутри всех стен, чтобы обеспечить светом все квартиры.

• Дороговизна и сложность установки

• Необходима своевременная чистка от грязи, снега и т.д.

Теперь, мы сможем ответить на главный вопрос о целесообразности использование световодов для использования в массовом строительстве.

К сожалению, слабая экономическая эффективность, в купе с другими весомыми недостатками, показывают неэффективность применения данного метода для использования в жилых многоэтажных домах.

Как мы уже говорили, эта технология еще «сырая», однако, световоды имеют место быть, после некоторой доработки и усовершенствования.

Будет целесообразнее устанавливать световоды в торговых центрах или офисах, где “работать” световоды будут намного больше, соответственно и, экономический эффект будет намного заметнее.

Список литературы

1. Оболенский Н. В. Архитектурная физика. Издательство «Архитектура-С», 2003 год

2. Шахмаев Н.М. Физика. Колебания и волны. Оптика. М: «Высшая школа» 1977 год

3. СП 23-102-2003 Естественное освещение жилых и общественных зданий; пункты 5.04; 5.14

4. СНиП 23-05-95 "Естественное и искусственное освещение"

5. СанПиН 2.2.1/2.1.1.1278-03 «Гигиенические требования к естественному, искусственному и совмещенному освещению жилых домов и общественных зданий»

10

Код для цитирования: Скопировать