بخشی از مقاله
خلاصه
روشنایی طبیعی روز نقش بسیار مؤثری در کاهش مصرف انرژی الکتریکی در ساختمانهای اداری دارد .غالباً درطراحی ساختمان ها استفاده از نور طبیعی روز به صورت علمی در نظر گرفته نمی شود .استفاده از سیستم فیبر نوری جهت انتقال نور طبیعی و توزیع یکنواخت نور به داخل ساختمان و به منظور کاهش مصرف انرژی می تواند در افزایش بهره وری و کاهش هزینه انرژی الکتریکی نقش مهمی را ایفا کند . دراین مقاله به مطالعه در خصوص توزیع یکنواخت نور در داخل ساختمان با استفاده از فیبرنوری پرداخته شده است . در پایان دو روش کارآمد در مورد سیستم مذکور ارائه شده است .روش اول استفاده از آینه سهموی و روش دوم شامل عدسی فرنل می باشد.همچنین با شبیه سازی در یک اتاق اداری در ساعات مختلف روز مقدار شارنوری هر یک از سیستم های روشنایی مذکور اندازه گیری گردید که به طور متوسط شدت روشنایی 500 lx را بوجود آورد که منجر به کاهش مصرف انرژی الکتریکی در بخش روشنایی ساختمان شده است از اینرو سیستم روشنایی مذکور مکمل نور مصنوعی لامپها در ساختمان های اداری پیشنهاد می گردد.
کلمات کلیدی: روشنایی طبیعی ، فیبر نوری، صرفه جویی انرژی
.1 مقدمه
امروزه به منظور کاهش گازهای گلخانه ای استفاده از انرژی های تجدیدپذیر افزایش یافته است . انرژی خورشیدی یکی از منابع اصلی تولید انرژی الکتریکی است که می توان از گرما و روشنایی آن بهره برد .منبع اصلی مصرف انرژی الکتریکی و انتشار گازهای گلخانه ای در جهان ساختمان ها می باشد. مصرف انرژی الکتریکی در بخش روشنایی ساختمانها به دلیل استفاده از نور مصنوعی لامپها به یک مسئله بحرانی تبدیل شده که سهم انرژی40 تا 50 درصدی را به خود اختصاص داده است . [1]در این مقاله موضوع اصلی استفاده از روشنایی طبیعی روز در ساختمان ها می باشد.روشنایی طبیعی روز نقش مهمی در زمینه بهره گیری از انرژی های تجدید پذیر ایفاد می کند و موجب کاهش مصرف انرژی در جهت توسعه پایدار می گردد.
توسعه مناسب سیستم جمع کننده نورخورشید و توزیع یکنواخت روشنایی در ساختمان ما را به راه حل برای کاهش مصرف انرژی هدایت می کند.استفاده از روشنایی طبیعی روز در ساختمان ها منجر به کاهش مصرف انرژی در بخش روشنایی بین 50 تا 80 درصد می گردد.[2]ساختمانهای اداری عموماً از پنجره ها در هر طبقه جهت بهره گیری از نور خورشید استفاده می گردد هرچند که فضاهای داخلی ساختمان که از پنجره ها دور هستند در معرض نورخورشید قرار نمی گیرند درنتیجه موجب تاریک شدن فضاهای داخلیمی گرددکه لزوماً از نور مصنوعی لامپها برای روشن کردن آن نیاز است.از اینرو دراین مقاله استفاده از سیستم پیشنهادی جهت حذف نور مصنوعی لامپها توصیه می گردد.
مطابق تحقیقات انجام شده اغلب ساختمانهای اداری از شرایط محیطی داخلی آسایش برخوردار نمی باشند.یکی از دلایل آن استفاده از نور مصنوعی لامپها به جای نور خورشید می باشدو اکثر کارمندان ادارات بیشترین وقت خود را در زیر نور مصنوعی لامپها می گذرانند.به عنوان یک نتیجه از تحقیقات به عمل آمده در دانشگاه کمبریج انگلستان حدود 78 میلیون نفر از کمبود کلسیم به علت کمبود ویتامینD و 15 درصد از کارمندان از فشار چشم در زیر نور مصنوعی شکایت دارند. ازاثرات مثبت نورخورشید برای انسان ایجاد شادابی است که می تواند موجب کاهش مؤثر انواع بیماریهای روحی و روانی گردد.[3]
چشم و پوست افراد با جذب طول موج اشعه ماوراء بنفش که غیر قابل مشاهده است موجب تحریک سیستم اعصاب و غدد شده و منجر به تولید ویتامین D3 در بدن می گردد. کمبود ویتامینD3 موجب افزایش 60 درصدی سکته مغزی و حملات قلبی می گردد.[4] تحقیقات به خوبی نشان می دهد نور خورشید باعث افزایش کیفیت زندگی و صرفه جوئی انرژی الکتریکی می گردد بنابراین استفاده از روشنایی طبیعی روز در ساختمان های اداری بسیار قابل قبول است .طراحی های مختلف معماری با استفاده از پنجره ها و فضاهای باز دیگر در ساختمان ها انجام می گیرد. این ساختمان ها براساس فاکتور روشنایی روز - - DF در جهت کاهش استفاده از نور مصنوعی لامپها طراحی می شوند .رابطه - 1 - فاکتور روشنایی روز - - DF را نشان می دهد: [5]
Ein متوسط شدت روشنایی در تمام سطوح اتاق می باشد Ev. شدت روشنایی عمودی پنجره است LT. ضریب شفافیت شیشه ، Aw سطح جداره پنجره ، Ain مساحت تمام سطوح اتاق مشتمل بر کف ، سقف ، دیواره ها و پنجره ها است وR نیز متوسط پرتوهای نور بازتابش شده می باشد .این مواردبه عنوان عوامل مؤثر در فاکتور روشنایی روز شناخته شده است عموماً. عامل روشنایی روز در ادارات 5 درصد از شدت روشنایی نورخورشید که 10000 لوکس می باشد در نظرگرفته می شود که برابر با 500 لوکس می باشد . [6] اما برای رسیدن به شدت روشنایی 500 لوکس تنها از طریق پنجره ها امکان پذیر نیست.علاوه بر این با دور شدن از پنجره ها مقدار شدت روشنایی کاهش می یابد .
بنابراین یک سیستم در خصوص استفاده حداکثری از نور طبیعی روز در نقاط تاریک ساختمان جهت کاهش مصرف انرژی الکتریکی نیاز می باشد .پیش از این ، سیستم مورد نظر به عنوان یک موضوع مهم در ساختمانها مورد نظر نبودغالباً. از انرژی خورشیدی به منظورتولید برق از صفحات فتوولتائیک و کاربردهای حرارتی استفاده می گردد . [7,8] اما طرحهایی که برای استفاده از نور طبیعی روز مورد مطالعه قرارگرفته شامل سیستم لوله های نوری و فیبرهای نوری بوده که برای نصب این سیستم ها نیاز به فضای مناسبی می باشد .سیستم مورد نظر قابل بسط بوده و دارای واحد ردیاب کننده می باشد .در حال حاضرسیستم مبتنی بر فیبر نوری به نام تجاری Himawari شناخته می شود[9] .دارای دو مدل از لنزها و فیبرهای نوری با شماره های مختلفی می باشد.
این سیستم دارای فیبرهای نوری از جنس کوارتز شیشه ای است که موجب گران قیمت شدن این سیستم می گردد با این حال هدف ، انتقال نور خورشید در ساختمان های عمیقبا هزینه کم می باشد .معمولاً این سیستم بالای پنجره ها یا بر روی سقف ساختمان نصب می گردد. [10] با این حال مشکلاتی در نصب اینگونه سیستم ها در نزدیک پنجره ها وجود دارد که می توان کاهش نور خورشید و مشکلات نصب آن به دلیل طراحی های مختلف ساختمان نام برد .این سیستم میتواند در هر نقطه از منطقه آزاد ساختمان قرارگیرد .هدف اصلی در این مقاله توزیع یکنواخت نور خورشید در ساختمان با استفاده از فیبرهای نوری می باشد .بدین منظور در این سیستم از یک آینه سهموی و لنزهای فرنل استفاده می گردد.برای اینکه سیستم موردنظر از لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه باشداز فیبرهای نوری پلاستیکی - POFS - 3 استفاده می گردد.فیبرهای نوری به گرما حساس هستندبنابراین با یکنواخت وتعدیل کردن نور می توان از اثرات مخرب گرمایی آن کاست.
.2سیستم دریافت کننده نور
اندازه سیستمیک موضوع مهمی می باشد. برای نصب سیستم در مناطق آزاد ساختمان که معمولاً در سقف ساختمان ها نصب می گردد.این سیستم می بایستی فضای کوچکی را با در نظر گرفتن یک خروجی مؤثر در ساختمان، اشغال کند. اندازه مدل های داخلی و خارجی سیستم مطابق با رنج روشنایی مورد نیازتعیین می گردد.یک سیستم بزرگ برای جمع آوری نور خورشید و انتقال آن به فضاهای مختلف ساختمان ترجیح داده می شود . در این حالت تعداد رفلکتورها به تناسب افزایش یافته که هزینه بر می باشد . به طور کلی با حداقل تعداد رفلکتورها این سیستم می تواند مقرون به صرفه باشد.در صورت عدم یکنواختی شدت نور انتقال یافته می باید شدت نور هر فیبر نوری متفاوت باشد .ایده اصلی در پیاده سازی این سیستم انتقال نور طبیعی روز به صورت یکنواخت به داخل ساختمان با هزینه کم می باشد .در شکل - 1 - اجزاء ساختمان سیستم مذکور مشخص شده است . نور خورشید به یک آینه سهموی محدب برخورد کرده سپس تشعشعات نور خورشید به سمت آینه دوم هدایت می گردد و موجب انتقال نور به داخل فیبرهای نوری می گردد.
