Искусственные окна

Для архитекторов и домовладельцев естественный дневной свет в помещениях конечно же является первым приоритетом. Совмещённое и искусственное освещение рассматривается как решение вынужденное. Однако подвалы, офисы с помещениями без окон, глухие коридоры объективно существуют, и с ними приходится иметь дело.

В 2013 году Джонатан Кларк и Шон Флинн основали компанию Innerscene с целью разработать и освоить в производстве монтируемые на стены 3D-дисплеи. По замыслу инноваторов эти дисплеи должны быть настолько реалистичными по виду и качественными по световым параметрам, чтобы ими можно было заменить физические окна.

Созданные компанией светодиодные модули Virtual Sun («Виртуальное солнце») имитируют вид кусочка неба в ясный день. Модуль с размерами окна 104x55 см может быть закреплён вертикально на стене, горизонтально на потолке или под углом между стеной и потолком.

Натуральный вид

«Виртуальное солнце» проецирует электрический свет разных световых температур, создавая подобие солнечных лучей и довольно естественно выглядящие тени от предметов. Если находящийся в помещении человек посмотрит вверх, он увидит кусок бескрайнего голубого неба, а если выберет правильную точку - то и яркий диск искусственного солнца. Иллюзия создаётся в двумерном пространстве с помощью линзы Френеля и изображений, проецируемых на неё через коллиматоры. Эффект примерно такой же, как в 3D-кинотеатре, только без необходимости надевать очки с поляризаторами.

Соединённые в сеть оконные модули работают согласованно

Каждый модуль создаёт рассеянный свет в угловом секторе почти на 180 градусов и проецирует в комнату (на пол или на стену) прямоугольное солнечное пятно. Проходя через луч, зритель видит, что солнце остаётся неподвижным. Если на потолке или на стене закрепить несколько модулей, соединив их между собой Ethernet-кабелями, через их окна будет видно одно солнце. Эффект поддерживается правильными закономерностями, учитывающими такое явление, как параллакс зрения. То есть глаз фокусируется не на поверхности виртуального окна, а на бесконечности.

Осветительная система имеет циркадный режим, в котором яркость и оттенок светила меняются в зависимости от времени суток, настраивая человеческий организм на естественные циклы.

Любопытно, что разработчики из компании Innerscene поначалу нацелились на реалистичное отображение разных картин, синтезируемых искусственными окнами, и лишь потом решили сосредоточиться на имитации света от солнца и неба.

Точный расчёт

Система успешно обманывает наши органы чувств, но что показывают приборы? Согласно компании, поток ультрафиолетового излучения имеет удельную мощность всего 0,41 мкВт/см². Освещённость предмета у поверхности «окна», равная 10 000 люксов, экспоненциально снижается по мере его удаления. Это значит, что эффект постепенного выгорания красок на искусственном солнце не проявится, то есть систему Virtual Sun можно использовать в музеях и картинных галереях для освещения исторических и художественных экспонатов. К сожалению, она не стимулирует человеческую кожу производить витамин D, способствующий повышению иммунитета.

Стоит отметить, что разработчики «виртуального солнца» столкнулись с непростыми проблемами. «Мы хотели получить натурально выглядящие голубое небо и яркое солнце, - рассказывает Кларк. - Если вы попытаетесь в ясный день измерить цветовую температуру чистого неба, то получите величину от 17 000 до 40 000 K, но большинство светодиодов не выходят за пределы температуры 6500 K, с которой можно сымитировать только пасмурный день». Разработчики были вынуждены научиться сочетать разные светодиоды таким образом, чтобы получить иллюзию неба с полноценным спектром.

От руки создаются довольно-таки натуральные тени

«Нужно было скомбинировать линейки разных светодиодов, и тогда мы легко могли сдвигать текущую спектральную точку вдоль характеристики излучения абсолютно чёрного тела, чтобы получить необходимую цветовую температуру», - объяснил Кларк. Экспериментируя в лаборатории, инноваторы на себе прочувствовали влияние небес на состояние человека. «Поразительно ощущать, насколько различно самочувствие человека при цветовой температуре 20 000 или 40 000 K и, скажем, при 6500 K, - продолжил Кларк. - Как будто ты в этот день лишнюю чашку кофе выпил. Но к вечеру, прежде чем ложиться спать, желательно плавно перейти к более тёплым цветовым температурам».

Естественный цикл

Инженеры из компании Innerscene запрограммировали циркадный режим так, чтобы яркость солнца и связанная с ней цветовая температура неба менялись в течение дня, имитируя условия естественного освещения. В этом режиме самая тёплая точка соответствует 3000, а самая холодная - примерно 18 000 K. Система стоит немалых денег, и для подтверждения её достоинств компания приводит индекс цветопередачи (color rendering index). Он превышает 90%, что говорит о высокой точности воспроизведения природных оттенков. И действительно, если человек не обращает внимания на то, что солнце застыло на небосклоне, то у него остаётся полное ощущение реальности окон.

Офисные помещения по ночам пустуют, а в домах и в больницах, возможно, кто-то оценит ночной режим с отображением лунного света.

Первая версия виртуального окна была представлена на рынке в 2017 году. Сегодня клиентам предлагается модель Virtual Sun A7, выпущенная в 2020-м (в пандемию, что было весьма кстати с точки зрения спроса на подобные решения). В ней задействовано пять разных видов светодиодов. При работе на максимальной яркости модуль потребляет мощность 205 Вт. При этом по энергетической эффективности (27 люменов на ватт) он сильно уступает обычным светодиодным светильникам.

Монтаж системы - дело непростое, поскольку модули Virtual Sun A7 имеют значительную толщину (25 см) и немалый вес - 37 кг. То есть для них понадобятся довольно глубокие стенные ниши или подвесные потолки, что очень ограничивает возможности применения новинки в уже существующих помещениях. Будем надеяться, что инженеры из компании смогут кардинально сократить толщину и увеличить энергоэффективность искусственных окон.

* * *

Порядок проектирования окон и осветительных систем в нашей стране законодательно зафиксирован в своде правил СП 52.13330.2016 «Естественное и искусственное освещение», утверждённом в 2016 году приказом № 777 Министерства строительства и жилищно-коммунального хозяйства. Возможно, через несколько лет этот свод правил нужно будет скорректировать под искусственные окна.

(При подготовке статьи использованы материалы журнала LEDs Magazine.)