Возможно ли освещение современного города без светового загрязнения?

Окончательная победа светодиодов в качестве источников света осветительных приборов (ОП) для утилитарного освещения не вызывает сомнения. Также очевидно, что замена разрядных источников светодиодами приносит существенную экономию электроэнергии. До последнего времени казалось, что и со стороны экологии данная трансформация вполне позитивна: исчезают ртутные источники света, снижается материалоемкость, появляется возможность замкнутых циклов переработки осветительных приборов и т. д.

Но не все так просто! Чем доступней становится освещение, тем с большим размахом его применяют. И тут начинает работать известный в экономике эффект отскока (rebound effect)! Эффект заключается в увеличении потребления энергоресурса при повышении эффективности приборов вследствие роста их количества и изменения отношения потребителей к их использованию. То есть освещается то, что раньше не освещалось, да и освещение часто не выключается и не диммируется тогда, когда оно уже не нужно!

Но и это еще не все. В качестве побочного эффекта данной технологической революции растет световое загрязнение окружающей среды. Световое загрязнение — засвечивание ночного неба источниками освещения, чей свет рассеивается в нижних слоях атмосферы. Иногда это явление также называют световым смогом. Как это ни парадоксально, насыщенное синим цветом холодно-белое светодиодное освещение является наиболее бюджетным и энергоэффективным, но остается при этом самым неблагоприятным для окружающей среды. Такой неконтролируемый свет, рассеянный в воздушном пространстве атмосферы нашей планеты, лишает людей возможности видеть ночное небо, фактически крадет у нас ночь. Сегодня 99% людей в Европе и США живут под небосводом, загрязненным искусственным светом.

Однако невозможность видеть ночное небо, усыпанное звездами, не единственная цена светового загрязнения — и даже не самая большая! До 30% энергии, затрачиваемой на наружное освещение, приходится на освещение пространства, которое освещать не требуется! Только в США при производстве такого «паразитного света» генерируется 15 млн т углекислого газа ежегодно, что эквивалентно выбросам примерно 3 млн автомобилей.

Биологи, врачи и экологи предупреждают, что насыщенный синим свет светодиодов, бесконтрольно разлитый в окружающем ночном пространстве, нарушает суточный циркадный ритм людей и других живых организмов. Это приводит к негативным последствиям для здоровья и благополучия человека, грозит существованию целых видов живых организмов и экосистемам.

Можно ли разрешить парадокс? Как конструировать осветительный прибор и проектировать наружное освещение, чтобы минимизировать световое загрязнение?

Такие правила есть! Международная ассоциация Dark Sky [1] предлагает пять принципов ответственного отношения к наружному освещению:

• Всегда проводите предварительную оценку целесообразности применения выбранного ОП или осветительной установки в конкретных условиях, анализируйте воздействие света на людей, территорию, окружающую среду, дикую природу. Рассмотрите все альтернативные возможности обеспечения безопасности и комфорта на открытом пространстве в темное время суток, например использование светоотражающих красок или самосветящихся маркеров для знаков, бордюров и ступеней, чтобы уменьшить потребность в постоянном наружном освещении.
• Строго контролируйте распространение света ОП в заданные освещаемые зоны и не допускайте паразитные утечки за их пределы. Абсолютно недопустимо распространение света в зону над светильником выше горизонтального уровня.
• Используйте минимально необходимый уровень освещенности. Принимайте во внимание состояние освещаемой поверхности, так как некоторые поверхности, например снег, могут отражать в ночное небо больше света, чем предполагалось.
• Контролируйте режим работы ОП, применяя датчики, таймеры, контроллеры управления. Свет должен быть доступен, когда он необходим, приглушен, когда это возможно, и выключен, когда он не нужен.
• Используйте светодиоды теплых оттенков, ограничивая долю коротко­волнового (сине-фиолетового) света до минимально необходимого количества. Рекомендуемая коррелированная цветовая температура CRI не выше 3000 К (фактическое значение с учетом максимально допустимого отклонения 3220 K).

Для того чтобы характеризовать эффективность работы осветительного прибора с позиций минимизации светового загрязнения, стандарт [2] предлагает систему оценки, основанную на определении BUG-рейтинга. BUG-рейтинг — средство оценки всех форм светового загрязнения, обусловленных экранированием и перераспределением света источника в ОП.

Для реализации данного подхода пространство вокруг светильника разделено на зоны, определенные в соответствии с ожидаемым воздействием на окружающую среду (рис. 1):

• задняя подсветка (BACKLIGHT) — определяет величину светового потока в зоны пространства BL, BM, BH, которые расположены в направлении, противоположенном области, предназначенной для освещения. Оценивается рейтингом B;
• верхний свет (UPLIGHT) — определяет величину светового потока в зоны верхней полусферы UH и UL, вызывает искусственное свечение неба, определяет прямые потери энергии. Более низкие зоны верхнего света (зона UL) вызывают наибольшее свечение неба и отрицательно влияют на профессиональную и академическую астрономию. Оценивается рейтингом U;
• блеск (GLARE) — определяет величину светового потока в передних зонах FH и FVH, а также в задних зонах BH и BVH, может вызывать дискомфорт или существенно затруднять работу зрительного аппарата. Оценивается рейтингом G.

Рис. 1. Система измерения распределения светового потока ОП наружного освещения согласно TM-15-07

Зональные пороговые значения светового потока, перечисленные в следующих трех таблицах, основаны на данных IES LM-35-20 Approved Method: Photometric Testing of Floodlights Using High Intensity Discharge or Incandescent Lamps. Рейтинги задней подсветки, верхнего света и блеска получают значение в пределах 0–5 (предпочтительно меньшее значение) в зависимости от максимального количества света в этих зонах на основе пороговых значений. В таблицах 1–3 приведены пороговые значения светового потока в угловых зонах для трех сегментов пространства, окружающего ОП, и, соответственно, трех значений рейтинга BUG.

Итоговое значение каждого рейтинга определяется наихудшим показателем по зонам, входящим в соответствующий сегмент окружающего пространства.

Как на практике работает данная методика оценки ОП по уровню светового загрязнения и «дружелюбия к темному небу»? В качестве примера рассмотрим светильник серии FREGAT LED 55 G2, выпускаемый компанией МГК «Световые Технологии». Данная модификация ОП разработана для реализации проектов утилитарного освещения повышенного комфорта внутри городских жилых кварталов.

Параметры конструкции FREGAT LED 55 G2 оптимизированы таким образом, чтобы обеспечить выполнение основных функциональных требований к светильникам, входящим в состав установок наружного освещения [3]: регламентированные уровни яркости и освещенности на дорожном покрытии, наилучшую равномерность, минимальные показатели слепимости.

В таблице 4 представлены основные технические характеристики данного ОП.

Особое внимание было уделено параметрам, определяющим комфорт и «экологическое дружелюбие» светильника в условиях насыщенной городской инфраструктуры.

Свет, генерируемый данным светильником, имеет низкую коррелированную цветовую температуру — 2850К, драйвер обеспечивает практическое отсутствие пульсаций.

Цветовой комфорт решения обеспечивается светодиодами, произведенными по специальному заказу компанией «РуСИД» (г. Армавир). В ходе работы специалистам компании удалось создать российскую технологию и выпустить на рынок новые светодиоды с КЦТ (2850 ±100) К с уменьшенной долей потока в коротковолновой (голубой) части спектра и световой отдачей на уровне, максимально приближенном к изделиям мировых производителей. Среди особенностей конструкции данного светодиода можно выделить следующие: наличие корпуса из эпоксидной смолы, устойчивого к внешним воздействиям, площадки для СМД-монтажа увеличенного размера для большего отвода тепловой энергии от светоизлучающего кристалла, а также уникальной смеси люминофоров для получения отдачи выше 150 лм/Вт и достаточно высокого индекса цветопередачи.

На рис. 2 показано распределение спектральной плотности потока излучения ОП со светодиодами компании «РуСИД».

Рис. 2. Распределение спектральной плотности потока излучения ОП FREGAT LED 55

Пространственное распределение силы света ОП FREGAT LED 55, измеренное на гониофотометре RIGO 801 (рис. 3), позволило рассчитать доли светового потока в соответствующих зонах. В таблице 5 представлены значения светового потока для каждой зоны и определен его BUG-рейтинг.

Рис. 3. Пространственное распределение силы света ОП FREGAT LED 55

Наихудшим показателем по зоне «Задняя подсветка» является B3; по зоне «Верхний свет» — U0; по зоне «Блеск» — G1. В итоге FREGAT получил очень хорошие рейтинги по зонам верхней засветки и «Блеск». Свет прибора практически не загрязняет верхнюю полусферу и не засвечивает небосвод, в зоне блескости его негативное воздействие минимально. Относительно высокое значение рейтинга задней засветки B3 объясняется специальной конструкцией вторичной оптики светильника, спроектированной с целью перераспределить часть света на тротуар, расположенный за основанием осветительной опоры в пешеходной зоне.

Таким образом, итоговый BUG-рейтинг ОП FREGAT LED 55 составил B3-U0-G1. В итоге можно констатировать, что данный параметр вполне целесообразно применять при сравнении светильников с позиции экологической эффективности по отношению к окружающей среде и людям.

Руководствуясь принципами минимизации негативного воздействия искусственного света на окружающую среду при разработке ОП, проектировании и сравнении осветительных установок утилитарного освещения, можно обеспечить эффективное использование светодиодных источников света, получать достаточное количество света там, где нужно, и тогда, когда нужно, экономно расходовать электроэнергию, сохранять здоровье и благополучие населения и не разрушать сложившиеся экосистемы. Можно наилучшим образом осветить города и существенно снизить световое загрязнение! Вероятно, тогда новые поколения городских жителей увидят в небе и Млечный Путь, и звезды новых галактик!