Световой колодец
LIGHT WELL

Изобретение относится к системам освещения внутреннего пространства зданий и сооружений с использованием естественного освещения, в основном, солнечного. Системы обычно содержат элемент, проницаемый для ультрафиолетового спектра волн света. В древности простейшие системы представляли из себя лишь отверстия в ограждающих конструкциях. Со временем, такие системы приобрели возможность ветрозащиты, влагозащиты и даже термозащиты.
Из уровня техники известно окно (RU 2433237 C1, МПК Е06В 3/00, опубл. 10.11.2011), содержащее коробку, шарнирно закрепленную в центре боковых сторон коробки створку и уплотняющие упругие элементы в притворе, установленные в коробке, при этом, шарниры расположены соосно с центром тяжести створки, а уплотняющие упругие элементы установлены с возможностью фиксации створки в заданном положении силой трения между сторонами притвора, причем уплотняющие упругие элементы установлены в количестве, по меньшей мере, двух рядов.
Недостатком такой системы является нерациональное распределение освещенности помещения и невозможность освещения внутренних помещений без освещения внешних.
Также известна система естественного освещения для замкнутых помещений (RU 2364784 C1, МПК F21S 11/00, опубл. 20.08.2009), содержащая светоулавливающую зону, выполненную в виде светоулавливающей панели, светонаправляющие элементы, выполненные в виде воронок с наружной пирамидальной поверхностью, сходящиеся в единый светонаправляющий канал, подводящий и отводящий световоды, светопринимающую зону, соединенную подводящим световодом с жидкокристаллической панелью, соединенную, в свою очередь, кабелем с диммером и с отводящим световодом, при этом, подводящий и отводящий световоды прикреплены с обеих сторон к жидкокристаллической панели, а собирающая оптическая система светонаправляющего канала выполнена с выпуклой линзой.
Недостатком системы является сложность, дороговизна и ненадежность.
Наиболее близкой по технической сущности к заявленному техническому решению и выбранной в качестве прототипа признана светособирающая кровля (US 58967120, МПК E04D 13/03, F21S 11/00, F24S 23/30, G02B 5/02, опубл. 27.04.1999), представляющая собой монтируемый на кровле вертикальный колодец, содержащий прозрачный усеченно-конической прозрачный купол, при этом на внутренней поверхности купола по стенкам образовано множество горизонтальных круговых канавок, направляющих свет в вертикальный колодец, что позволяет распространять естественный свет в помещение через установленный на потолке рассеивать света.
Недостатком последней конструкции является необходимость размещения на внутренней поверхности крышки светопреломляющих канавок, которые при малом их количестве требуют большой толщины и прозрачности стекла, а при большом количестве, являются естественным барьером для света. Кроме того, при эксплуатации системы освещения существует возможность загрязнения канавок, что снизит интенсивность естественного светового потока распространяемого в помещение.
Технической задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является улучшение светособирающей способности светового колодца при одновременном сохранении его герметичности и надежности конструкции.
Указанная задача решена тем, что световой колодец содержит зеркальный тубус, выполненный с возможностью установки его на кровле, с закрепленным в его верхней части прозрачным, герметичным куполом, имеющим полусферический свод в его верхней части и открытый экваториальный срез в его нижней части. При этом на своде выполнена наклонная плоская часть поверхности в виде усекающей полусферы с южной стороны с диаметром плоской части поверхности не менее радиуса сферы. Нормаль плоскости усечения упомянутой части поверхности расположена к зениту под углом равному среднему углу солнцестояния, а вокруг нижней открытой части купола на его поверхности выполнены монтажные углубления закругленной формы для фиксации купола на зеркальном тубусе и ориентирования его по сторонам света с радиусным шагом от 15 до 30° в зависимости от диаметра тубуса.
Дополнительно в нижней части зеркального тубуса на кольцах закреплен комбинированный узел рассеивания света, состоящий из радиаторного корпуса, снабженного электромеханической шторкой и торцевым рассеивателем в виде пластины из прозрачного материала, на внутренней поверхности радиаторного корпуса закреплен светодиодный модуль, а на его нижнем торце закреплена рассеивающая линза; узел рассеивания света снабжен блоком управления, к измерительным входам которого подключены фоторезистивные датчики, первый силовой выход блока управления подключен к светодиодному модулю, а второй силовой выход - к приводу электромеханической шторки.
Положительным техническим результатом, обеспечиваемым раскрытой выше совокупностью конструктивных признаков колодца, а именно наличием усекающей плоской поверхности с южной стороны полусферы купола, расположения нормали плоскости усечения под углом к зениту равному среднему углу солнцестояния, является повышение светособирающей способности источника естественного освещения. При этом наличие вокруг нижней открытой части купола на его поверхности выступов закругленной формы, позволяет сохранить герметичность и надежность светового колодца. Дополнительным техническим результатом от применения изобретения является возможность автоматического комбинирования естественного и искусственного освещения, за счет применения в конструкции колодца комбинированного узла рассеивания света.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведен общий вид светового колодца в изометрии; на фиг. 2 показана схема монтажа колодца; на фиг. 3 показано устройство комбинированного узла рассеивания света; на фиг. 4 приведена схема отражения световых лучей от поверхности купола.
Световой колодец устроен следующим образом.
Его основой является зеркальный тубус 1 с коэффициентом отражения не менее 98%, выполненный с возможностью установки его на кровле посредством кровельного узла прохода 2 сферического типа, обеспечивающий возможность монтажа зеркального тубуса 1 строго вертикально на любых типах кровли, выполненных под любым углом, с закрепленным в его верхней части прозрачным герметичным куполом 3, имеющим полусферический свод 4 в его верхней части и открытый экваториальный срез 5 в его нижней части. При этом на своде выполнена наклонная плоская часть 6 поверхности в виде усекающей полусферы с южной стороны с диаметром плоской части поверхности не менее радиуса сферы. Вокруг нижней открытой части купола на его поверхности выполнены монтажные углубления 7.
Прозрачный герметичный купол может быть выполнен из любого светопрозрачного материала, с высоким показателем ударопрочности и стойкости к ультрафиолетовому излучению. Зеркальный тубус может быть выполнен сборным, состоящим из нескольких секций, соединенных зеркальными муфтами. Между зеркальным тубусом и прозрачным куполом может быть дополнительно установлен термобарьер 8. Купол 3 и термобарьер 8 могут быть выполнены, например, из светотехнического пластика или полиметиалметакрилата (органического стекла). На внешней поверхности зеркального тубуса установлен теплоутепленный короб 9, зафиксированный пластиковым фартуком 10, который исключает возникновение мостика холода между внутренним и наружным кожухом теплоутепленного короба, а в нижней части тубуса закреплен комбинированный узел рассеивания света 11, обеспечивающий равномерное распределение передаваемого естественного и искусственного света в помещении.
Комбинированный узел рассеивания света 11 закреплен на кольцах 12, и состоит из радиаторного корпуса 13, снабженного электромеханической шторкой и торцевым рассеивателем 14 в виде пластины из прозрачного материала, например, стекла, на внутренней поверхности радиаторного корпуса закреплен светодиодный модуль 15, а на его нижнем торце закреплена рассеивающая стеклянная линза 16. Узел рассеивания света снабжен блоком управления, к измерительным входам которого подключены фоторезистивные датчики, первый силовой выход блока управления подключен к светодиодному модулю, а второй силовой выход - к приводу электромеханической шторки (на фигурах условно не показаны).
Блок управления может быть выполнен на основе восьми- или тридцатидвухразрядного микроконтроллера, например на основе микросхемы Atmel AVR ATMega128L или микросхем на базе высокопроизводительного ядра ARM. Микроконтроллер включает в себя микропроцессорное ядро, соединенное системной шиной с FLASH-памятью программ SRAM-памятью данных, энергонезависимой электрически перепрограммируемой памятью EEPROM, многоканальным аналого-цифровым преобразователем и универсальными восьмиразрядными двунаправленными портами ввода-вывода.
К каналам аналого-цифрового преобразователя подключены измерительные входы, первый из портов ввода-вывода выполнен с возможностью работы в режиме аппаратного ШИМ-модулятора и соединен с первым силовым выходом блока управления, выполненным на основе тиристорных ключей, второй порт ввода-вывода, соединен со вторым силовым выходом блока управления, выполненным на основе транзисторных ключей, а к третьему и четвертому портам ввода-вывода подключены, соответственно, блок индикации, выполненный на основе TFT-дисплея и кнопочная клавиатура.
Первый порт ввода-вывода, работающий в режиме аппаратного ШИМ-модулятора, обеспечивает плавную регулировку свечения светодиодного модуля 15, второй порт ввода-вывода осуществляет управлением электромеханической шторки, а блок индикации и кнопочная клавиатура обеспечивают возможность калибровки блока управления.
2
Блок управления может быть дополнительно снабжен модулями беспроводной связи Bluetooth 5.0 и WiFi, что обеспечивает возможность выполнения фоторезистивных датчиков проводными, подключенными к измерительным входам посредством интерфейсной шины IC, или беспроводными, подключенными к измерительным входам по радиоканалу. К блоку управления также могут быть подключены дополнительные датчики, например, датчики температуры или дыма, что обеспечит возможность интеграции светового колодца в систему «умного дома». Благодаря модулям беспроводной связи может быть также реализована функция удаленного управления с помощью мобильных устройств с выходом в интернет или персональных компьютеров.
Световой колодец используют следующим образом.
Первоначально в кровле помещения и перекрытиях готовят отверстия в соответствии с проектным решением, либо технологической картой производителя или другими строительными нормами. Далее, в случае если применяется сборный зеркальный тубус 1, то его предварительно собирают из отдельных сегментов, соединяя их зеркальными муфтами, после чего устанавливают в приготовленном отверстии и фиксируют посредством кровельного узла прохода 2. После установки тубуса 1 выполняют монтаж утепленного короба 9 и фиксируют его пластиковым фартуком 10. На верхнюю часть тубуса устанавливают термобарьер 8, после чего закрепляют на ней прозрачный герметичный купол 3 экваториальным срезом 5, ориентируя наклонную плоскую часть 6 его поверхности на южную сторону. В нижней части тубуса 1 закрепляют комбинированный узел рассеивания света 11, после чего световой колодец готов к эксплуатации.
Солнечный свет на рассвете и закате проходит через полусферический свод 4 купола 2 и переотражается от его наклонной плоской части 6 в экваториальный срез 5. В зените солнечный свет проходит через наклонную плоскую часть 6 купола, не задерживаясь в материале. Часть световых лучей, которая не попадает в экваториальный срез 5 сразу, переотражается полусферическим сводом 4 купола 3 обратно в экваториальный срез 5. Во все время светового дня комбинированный узел рассеивания света 11 обеспечивает равномерное распределение передаваемого куполом 3 света в помещение.
Блок управления, предварительно настроенный на поддержание определенной интенсивности освещения, в соответствии с управляющей программой, записанной во FLASH-память программ микроконтроллера, с помощью фоторезистивных датчиков осуществляет непрерывные измерения уровня освещенности помещения. При этом, в случае снижения уровня освещенности ниже порога, предусмотренного установками блока управления, сохраненными в памяти EEPROM микроконтроллера, последний, переключив первый порт ввода-вывода в режим аппаратного ШИМ-модулятора, осуществляет частотное регулирование мощности силового выхода и, соответственно, яркости свечения светодиодного модуля 15 на основе степенной функции, параметры которой задают при калибровке блока управления, обеспечивая требуемую интенсивность искусственного освещения. Блок управления может регулировать также и интенсивность естественного освещения, управляя с помощью второго порта ввода-вывода электромеханической шторкой.
Таким образом, рассмотренный в настоящей заявке световой колодец, является относительно простым, недорогим и эффективным прибором комбинированного естественного и искусственного освещения, позволяющим осуществлять экономичное и эффективное освещение жилых и производственных помещений.