Porovnání výkonu různých typů světlovodů

Proč a jak porovnávat výkon světlovodů

Světlovody (tubusové světelné vodiče, tubular daylighting devices – TDD) přivádějí denní světlo ze střechy nebo fasády do vnitřních prostor bez přímého kontaktu oken s exteriérem. Výkon světlovodu se obvykle posuzuje kombinací fotometrických, energetických a stavebně-fyzikálních parametrů: udržovaná osvětlenost v místnosti (lx), denní světelný faktor DF (%), rovnoměrnost, spektrální věrnost, tepelné zisky/ztráty a kondenzace. Správné porovnání vyžaduje rozlišit typy světlovodů, jejich průměry, délky, počet zalomení a kvalitu optických ploch.

Typologie světlovodů: konstrukční a optické varianty

• Pevné (rigid) tubusy: hladký kovový či polymerní plášť s vysoce reflexní vnitřní vrstvou (zrcadlově reflexní MIRO/VM, multivrstvé dielektrické filmy). Nejvyšší účinnost a nejmenší ztráty na metr.
• Ohebné (flexi) tubusy: hliníková fólie s vlnitým profilem; jednodušší instalace kolem překážek, ale vyšší rozptyl a ztráty – vhodné pro krátké vzdálenosti a pomocné prostory.
• Hybridní světlovody: kombinují denní světlo s doplňkovým LED modulem řízeným podle hladiny denního světla; zajišťují konstantní osvětlenost a lepší UGR/komfort večer.
• Fasádní (laterální) světlovody: vstupní kolektor ve fasádě, vedení světla horizontálně; citlivé na stínění a nižší zimní účinnost.
• Variace kolektorů: kopule/prizmatické dómy (zvyšují zachytávání nízkého slunce), ploché zasklení (nižší aerodynamické namáhání), aktivní kolektory s Fresnelovou/lamelovou optikou či heliostatickým sledováním.
• Výústky/difuzory: mikroprizmatické, opálové, směrové (regulace jasů a UGR), se stmíváním clonkami.

Klíčové metriky pro hodnocení výkonu

• Osvětlenost E [lx] v posuzovaném bodě/ploše: cílem bývá 200–500 lx podle účelu místnosti.
• DF – Daylight Factor [%] = (E_i / E_o) × 100, kde E_i je vnitřní osvětlenost při standardním zataženém nebi a E_o horizontální venkovní osvětlenost. Cíl pro chodby 1–2 %, pro kuchyně/pracovny 2–5 %.
• Transmisní účinnost η_sys [–]: podíl toku na výstupu k toku dopadajícímu na kolektor; zahrnuje ztráty kopule, odrazy v tubusu, ohyby a difuzor.
• Reflexe vnitřního povrchu ρ [%]: zrcadlová (speculární) reflexe 98–99 % u špičkových rigid tubusů, 85–95 % u flexi.
• Ztráty na délku a ohyb: lineární útlum α [dB/m] nebo procentní pokles na metr; penalizace každého 15–30° kolena.
• UGR a jasové poměry: difuzor musí omezit oslnění; homogenní svíticí plocha zlepšuje vizuální komfort.
• Energetika: součinitel prostupu tepla U [W·m⁻²·K⁻¹] kopule/šachty, sluneční faktor g/SHGC; vliv na letní přehřívání a zimní ztráty.

Fyzika přenosu: od kolektoru k difuzoru

Tok světla Φ_out lze aproximovat vztahem:

Φ_out = Φ_in · τ_kolektor · (ρⁿ) · τ_difuzor,

kde Φ_in je tok dopadající do ústí tubusu, τ jsou transmisní koeficienty kolektoru a difuzoru, ρ je spekulární odraznost vnitřní vrstvy a n je efektivní počet odrazů úměrný délce a geometrii (větší průměr → menší n). Ohyby zvyšují n a přidávají samostatné ztrátové členy.

Porovnání typů: přehledová tabulka

Vliv průměru a délky na osvětlenost

• Průměr: zachycený tok ~ ústí ∝ D². Zdvojnásobení průměru z 250 na 500 mm zvýší potenciální tok přibližně čtyřnásobně (při srovnatelném η_sys).
• Délka: s rostoucí délkou roste počet odrazů n a klesá Φ_out. U rigidní ρ = 0,98 je pokles po 10 odrazech ~18 %, u ρ = 0,9 (flexi) ~65 %.
• Ohyby: každý ohyb přidává difuzní ztrátu (degradace spekulárního vedení) a lokální stínění paprsků.

Příklad orientačního výpočtu osvětlenosti

Pro místnost 4 × 3 m, pracovní rovina 0,8 m pod difuzorem, venkovní horizontální osvětlenost E_o = 10 000 lx (zatažené nebe):

• Varianta A – rigid D=350 mm, délka 2,5 m, 1× ohyb 30°: τ_kolektor=0,85, ρ=0,985, n≈8, penalizace ohybu 7 %, τ_difuzor=0,85 ⇒ η_sys ≈ 0,85 × 0,985⁸ × 0,93 × 0,85 ≈ 0,48. Při typickém záchytu 8–12 % z E_o na plochu ústí lze očekávat DF ~ 2,0–3,0 % a střední E_i ~ 200–300 lx pod difuzorem, s poklesem ke krajům na 120–180 lx.
• Varianta B – flexi D=300 mm, délka 2,0 m, 2× ohyb 30°: τ_kolektor=0,8, ρ=0,92, n≈7, penalizace 2×10 %, τ_difuzor=0,8 ⇒ η_sys ≈ 0,8 × 0,92⁷ × 0,81 × 0,8 ≈ 0,22. Výsledný DF může klesnout na 0,8–1,3 % a E_i typicky 80–130 lx.

Hodnoty jsou orientační; přesný návrh vyžaduje výrobcem dodanou fotometrii a simulaci (např. Radiance/Daysim) s místní oblohou.

Spektrální a vizuální kvalita: CRI, CCT, UGR

• Spektrální věrnost: denní světlo má přirozeně vysoký CRI (≈100); světlovod jej nezhoršuje, ale materiály s UV stabilizací mohou mírně filtrovat UV a část modré.
• Difuzory: mikroprizmatika zlepšuje rovnoměrnost a snižuje UGR (<19 pro pracovní prostory), opálové difuzory dávají měkké stíny, ale s vyšší absorpcí.
• Jasové poměry: doporučená rovnoměrnost E_min/E_avg ≥ 0,6 v pracovní oblasti; vyžaduje vhodné rozmístění více kusů.

Energetické chování: U, g a riziko přehřívání

• U-hodnota kopule/šachty: vícevrstvé kopule s nízkoemisní vrstvou snižují zimní ztráty; přítomnost tepelných mostů u manžet je kritická.
• Sluneční faktor g: ploché čiré krycí sklo má vyšší g než prizmatická kopule s selektivní filtrací; u jižních střech zvažte stínicí clony.
• Letní provoz: směrové kolektory mohou zvyšovat tok v poledne; regulace clonou nebo stmívatelným difuzorem stabilizuje E a snižuje přehřívání.

Kondenzace, parotěsnost a difuze vodní páry

• Parozábrana musí být souvisle napojena na manžetu světlovodu na teplé straně konstrukce.
• Izolace tubusu: zateplení v chladném podkroví brání rosné vodě na plášti; u dlouhých vedení použijte nadstandardní tloušťku izolace.
• Odvod kondenzátu: některé systémy mají žlábek/odkap; nutná správná poloha a spád.

Instalační faktory ovlivňující výkon

• Orientace a sklon střechy: sever/mírný sklon dává stabilnější E bez přehřívání; jih vyžaduje regulaci.
• Stínění: vikýře, stromy a atiky snižují Φ_in; simulujte horizont stínů.
• Počet a rozmístění: více menších světlovodů často poskytne lepší rovnoměrnost než jeden velký.
• Minimalizace ohybů: dodržte co nejpřímější trasu; každý ohyb je „optický rezistor“.

Životnost a údržba

• UV stabilita kopule: kvalitní PMMA/PC s koextrudovanou UV vrstvou brání zežloutnutí a poklesu τ.
• Čištění: vnější kopule omyjte dle intervalu znečištění; vnitřní difuzor utírat nasucho, aby se nezhoršila homogenita.
• Stárnutí reflexní vrstvy: vysoce leštěné a chráněné vrstvy mají minimální drift; flexi fólie trpí mechanickým otěrem při montáži.

Výběr podle typu prostoru

• Bytová jádra, WC, chodby: krátký flexi (≤2 m) nebo rigid 250–350 mm; cílová E 100–200 lx.
• Kanceláře, učebny: rigid 350–530 mm, více kusů pro rovnoměrnost; UGR < 19 s mikroprizmatikou; DF 2–5 %.
• Prodejny, haly: rigid 530–750 mm, rastr 3–6 m; případně hybridní s LED pro konstantní úroveň 500 lx.
• Galerie, muzea: směrové a filtrační difuzory s ochranou proti UV; stabilita barev.

Hybridní světlovody: stabilizace osvětlenosti

• Řízení: daylight harvesting (DALI/0–10 V), senzory E v rovině práce.
• Přínos: snížení fluktuací E, lepší komfort a využití denního světla s minimální spotřebou doplňkového zdroje.

Checklist pro srovnání a návrh

• Definujte požadovanou E, DF a UGR pro konkrétní místnost.
• Zvolte typ tubusu (rigid vs. flexi) a průměr podle délky a překážek.
• Minimalizujte počet ohybů a celkovou délku; preferujte přímé vedení.
• Ověřte η_sys z výrobních dat (fotometrie, křivky ztrát) a proveďte simulaci.
• Zkontrolujte U a g, napojení parozábrany a dostatečné zateplení tubusu.
• Navrhněte difuzor pro rovnoměrnost a nízké UGR; zvažte stmívání.
• Plánujte údržbu (čištění kopule, kontrola kondenzace) a přístupnost.

Závěr

Při porovnání výkonu světlovodů rozhoduje kombinace optiky, geometrie a montáže. Pevné tubusy s vysokou odrazností a adekvátním průměrem poskytují nejlepší světelný výstup a rovnoměrnost na středních a delších vzdálenostech. Ohebné systémy mají smysl tam, kde je klíčová montážní flexibilita a krátká trasa. Hybridní řešení pak vyrovnávají denní variabilitu a zajišťují požadované hladiny osvětlenosti po celý den. Kvalitní návrh, minimalizace ohybů, správná izolace a volba difuzoru jsou klíčové pro dosažení vysoké účinnosti i dlouhodobé spolehlivosti.