Расчет и выбор освещения методом коэффициента использования светового потока
Пусть в помещении установлено N светильников, поток ламп в каждом из которых Ф, так что всего в помещение внесен поток NФ). Далеко не весь этот поток падает на освещаемую поверхность (т. е. на пол или равновеликую ему горизонтальную плоскость на уровне hp от пола), так как он частично теряется в светильниках, частью падает на стены и потолок помещения. Отношение потока, падающего на освещаемую поверхность, ко всему потоку ламп называется коэффициентом использования и обозначается η). Таким образом полезным потоком можно считать NФη. Распределяясь по площади S, этот поток создает на ней среднюю освещенность NФη:S.
Если, как это чаще всего имеет место, расчет ведется на минимальную освещенность, которая всегда меньше средней, то, введя коэффициент минимальной освещенности z = Eср :Eмин, получим:
(1)
Так как нормированная освещенность должна быть обеспечена во все время эксплуатации, надо эту освещенность разделить на коэффициент запаса k, получив окончательно:
(2)
Имея в виду использовать формулу (1) для определения светового потока или числа светильников, получаем:
(3)
и
(4)
Входящий в формулы коэффициент z зависит от размеров и формы помещения, коэффициента отражения его поверхностей, характеристик светильника и в наибольшей степени от значения X = L : h (рис. 1).
Рисунок 1. схемы размещения светильников: а) в разрезе; б) в плане; в) на фермах; г) учащенное; д) шахматное; е) люминесцентными лампами, параллельно стен и окон; ж) в длинных и узких помещениях
1- Угловое поле; 2- одно из центральных полей; 3-оси ферм; 4-оси мостиков обслуживания; 5- стена с окнами.
Последнее обстоятельство имеет особо принципиальное значение. С увеличением λ сверх оптимальных значений коэффициент z начинает быстро возрастать, что, собственно, и обусловливает энергетическую невыгодность больших значений λ.
В больших помещениях принципиальное значение имеет и увеличение коэффициента z при уменьшении λ по сравнению с оптимальными значениями. Рассмотрим предельный случай, когда размеры помещения неограниченно велики, стены и потолки не отражают свет и λ → 0.
Рисунок 2. Неравномерность освещения в больших помещениях
Тогда все множество светильников может рассматриваться как сплошная светящая поверхность и если точка А в центре помещения рисунок 2 одинаково освещается всеми четырьмя квадрантами, то угловая точка Б настолько удалена от квадрантов 2-4, что освещается только квадрантом 1, т. е. ее освещенность в 4 раза меньше, чем точки А. Таким образом предельное значение z =4.
В большинстве случаев этот факт не имеет большого практического значения и не учитывается, но иногда может служить основанием для уменьшения размеров полей вблизи стен больших помещений.
В области оптимальных значений λ коэффициент z относительно невелик; точное его определение связано с такими трудностями, которые не оправдываются результатом, и обычно довольствуются учетом приближенных значений z, равным 1,15 при освещении светильниками, расположенными по вершинам полей, и 1,1 — при освещении линиями люминесцентных светильников. При расчете средней освещенности коэффициент z, естественно, не учитывается; в установках отраженного света при хорошо отражающих стенах этот коэффициент приближается к единице.
Коэффициент использования ŋ:
- прямо пропорционален коэффициенту полезного действия светильников;
- зависит от формы кривой силы света светильников, возрастая с увеличением степени концентрации светильниками светового потока и убывая с увеличением доли потока, направляемой светильником в верхнюю часть пространства;
- возрастает с увеличением площади помещения, так как при этом увеличивается телесный угол, в пределах которого поток падает непосредственно на расчетную поверхность;
- возрастает с уменьшением расчетной высоты (по той же причине);
- убывает по мере удаления формы помещения от квадрата, так как при этом уменьшается среднее расстояние светильников от стен и увеличивается доля светового потока, падающего на стены;
- возрастает, хотя и незначительно, с увеличением λ, так как при этом увеличивается среднее расстояние светильников от стен;
- возрастает с увеличением коэффициентов отражения потолков, стен и полов помещения.
Зависимость η от площади помещения, высоты и формы возможно учесть одной комплексной характеристикой — индексом помещения:
(5)
где А и В — стороны помещения; S — его площадь; h — расчетная высота.
Зависимость индекса помещения от S и h очевидна; зависимость его от формы помещения становится особенно ясной, если, обозначив А:В=α, привести выражение (5) к виду:
(6)
При α = 1 имеем
Экономия на освещении
Итак, первое, на чем можно существенно сэкономить – освещение. Вначале нужно правильно научиться использовать природное и искусственное освещение.
Если в течение светового дня пользоваться только дневным светом, то это сократит затраты. Поэтому все окна в доме нужно содержать в чистоте и в меньшей степени днем закрывать свет шторами.
Но не всегда дневной свет способен в полной мере обеспечить освещение жилого помещения, даже в светлое время суток, поэтому без ламп не обойтись.
Самые распространенные и дешевы лампы накаливания являются и самыми затратными. Поэтому для экономии в дальнейшем нужно все их заменить на энергосберегающие.
Хорошим вариантом будут люминесцентные и светодиодные лампы, которые совместно с диммерами могут значительно уменьшить расход электричества.
Хоть они стоят значительно дороже, чем лампы накаливания, но за счет экономии потребления и длительного срока службы эти лампы быстро окупятся.
Еще один способ сэкономить на освещении – оснащение самых востребованных мест в жилье локальным освещением.
Светильники и бра, оснащенные энергосберегающими лампами небольшой мощности, а также светодиодные ленты снизят затраты энергии, хотя они тоже требуют начальных затрат на приобретение.
Периодически очищайте плафоны светильников и люстры от пыли, что обеспечит большую светоотдачу их, поэтому не потребуется включения дополнительных осветительных приборов.
Что касается частных домов, где иногда требуется освещение тех или иных участков двора, то можно воспользоваться лампами, оснащенными датчиками движения и таймерами работы.
Но здесь стоит учитывать, что в зоне контроля датчиков не должны находиться или попадать в эту зону животные, иначе датчик будет на них реагировать, так что никакой экономии не будет.
Последнее время появились фонари для освещения дорожек, использующих солнечную энергию.
Такие фонари могут оказаться полезными владельцам частных домов. Специального монтажа они не требуют, достаточно их разместить по бокам дорожки. Пусть ярко освещать дорожку они не смогут, зато отлично покажут направление, что часто бывает вполне достаточно.
Лампой с датчиком движения можно также оснастить прихожую в квартире. Зачастую небольшого установленного таймера работы такой лампы будет достаточно.
На что он влияет
Здоровье, настроение и работоспособность человека напрямую связаны с уровнем освещённости. Биоритмы организма зависят от света. Влияние освещённости на здоровье нельзя недооценивать.
Недостаток света может негативно воздействовать на органы зрения и вызывать чувство дискомфорта, мигрень и бессонницу. Это отрицательно сказывается на эффективности труда. Доказано, что при солнечной погоде работоспособность обычно выше, чем при пасмурной или дождливой.
В зимнее время, когда продолжительность светлого времени суток меньше, чем летом, активность сотрудников снижается. Эти особенности связаны с выработкой в органах зрения человека светочувствительных пигментов. Они влияют на циркадные ритмы организма.
Циркадные ритмы определяют продолжительность периодов активности и сна. На изменение биоритмов организма оказывают влияние гормоны: за активность отвечает кортизол, за сон — мелатонин, на настроение воздействует выработка допамина и так далее.
Количество этих гормонов в течение суток не остаётся одинаковым. Оно меняется, и это приводит к смене биологических ритмов всего организма. Именно от естественной смены биологических ритмов зависит циркадный ритм, а от него, в свою очередь, — показатели работоспособности, физической, умственной активности и бодрости.
Типы естественного освещения
Естественное освещение осуществляется наружным светом, проникающим внутрь здания. Его разделяют по тому, как это происходит. Поскольку свет может попадать в здание сверху или сбоку, естественное освещение делится на следующие виды.
Верхнее освещение
Внешний свет проникает в здание через фонари на крыше:
Другой вариант верхнего освещения – свет проникает в здание в местах перепада высот:
Комбинированное освещение
Комбинированное освещение – это одновременное использование верхнего и бокового освещения в любых сочетаниях:
В большинстве современных зданий используется один из типов естественного освещения. Исключения – сооружения, где отсутствие естественного света определяется технологическим процессом.
Иногда классификация естественного освещения проводится в зависимости от характера светового потока. Выделяют три вида:
- Направленное освещение, когда используется направленный световой поток из проёмов. Он лучше всего выделяет границы объектов и обеспечивает высокий светомоделирующий эффект.
- Направленное бестеневое освещение, в котором интерьер освещается светом, отражённым от поверхностей сразу после попадания в помещение.
- Отражённое бестеневое освещение, когда объекты в помещении освещаются только отражённым от поверхностей светом, а световые проёмы скрыты от наблюдателя.
ПРОВЕРОЧНЫЙ РАСЧЕТ КЕО ПРИ БОКОВОМ ОСВЕЩЕНИИ
7.5 Проверочный расчет КЕО в точках характерного разреза помещения при боковом освещении следует выполнять в соответствии с методикой, изложенной в приложении настоящего Свода правил по формуле ().
Расчет КЕО следует производить в следующей последовательности:
а) график I (рисунок ) накладывают на поперечный разрез помещения таким образом, чтобы его полюс (центр) 0 совместился с расчетной точкой А (рисунок ), а нижняя линия графика – со следом рабочей поверхности;
б) по графику I подсчитывают число лучей, проходящих через поперечный разрез светового проема от неба n1, и от противостоящего здания п¢1в расчетную точку А;
в) отмечают номера полуокружностей на графике I, совпадающих с серединой С1 участка светопроема, через который из расчетной точки видно небо, и с серединой С2 участка светопроема, через который из расчетной точки видно противостоящее здание (рисунок );
г) график II (рисунок ) накладывают на план помещения таким образом, чтобы его вертикальная ось и горизонталь, номер которой соответствует номеру концентрической полуокружности (пункт «в»), проходили через точку С1 (рисунок );
д) подсчитывают число лучей n2 по графику II, проходящих от неба через световой проем на плане помещения в расчетную точку А;
е) определяют значение геометрического КЕО eб, учитывающего прямой свет от неба, по формуле () приложения ;
ж) график II накладывают на план помещения таким образом, чтобы его вертикальная ось и горизонталь, номер которой соответствует номеру концентрической полуокружности (пункт «в»), проходили через точку С2;
з) подсчитывают число лучей п¢2по графику II, проходящих от противостоящего здания через световой проем на плане помещения в расчетную точку А;
и) по формуле () приложения определяют значение геометрического коэффициента естественной освещенности eзд, учитывающего свет, отраженный от противостоящего здания;
к) определяют значение угла q, под которым видна середина участка неба из расчетной точки на поперечном разрезе помещения (рисунок );
л) по значению угла q и заданным параметрам помещения и окружающей застройки в соответствии с приложением определяют значения коэффициентов qi, bф, kзд, r, t и Кзподставляют в формулу () и вычисляют значение КЕО в расчетной точке помещения.
Примечания
1 Графики I и II применимы только для световых проемов прямоугольной формы.
2 План и разрез помещения выполняют (вычерчивают) в одинаковом масштабе.
7.6 При наличии в помещении различно ориентированных световых проемов расчет КЕО в точках характерного разреза производят для каждого светового проема отдельно, а полученные значения КЕО для каждой точки суммируют.
7.7 При наличии в помещении балкона или лоджии проверочный расчет выполняют так же, как и для помещений без балкона или лоджии, а наличие балкона или лоджии учитывают понижающим коэффициентом t4 из таблицы , который входит составной частью в общий коэффициент светопропускания t.
Нормируемое значение КЕО при различных видах естественного освещения
Нормирование естественного освещения производится с помощью коэффициента естественного освещения КЕО — это отношение естественной освещенности данной точки внутри помещения к освещенности точки, находящейся под открытым небом, выраженное в %.
При одностороннем боковом освещении согласно СНиП11-4-79 нормируется минимальное значение КЕО в точке, расположенной на расстоянии 1 м от стены, наиболее удаленной от световых проемов, на пересечении вертикальной плоскости характерного разреза помещения и условной рабочей поверхности (или пола).
При двустороннем боковом освещении нормируется минимальное значение КЕО в точке по середине помещения на пересечении вертикальной плоскости характерного разреза помещения и условной рабочей поверхности (или пола).
При верхнем или верхним с боковым естественным освещением нормируется среднее значение КЕО в точках, расположенных на пересечении вертикальной плоскости характерного разреза помещения и условной рабочей поверхности (или пола). Первая и последняя точки принимаются на расстоянии 1 м, от поверхности стен или перегородок.
В СНиП значения КЕО приведены при боковом освещении для зоны с устойчивым снежным покровом (Сыктывкар, Томск, Иркутск, Охотск, Магадан) и для остальной территории страны (включая Вологду).
Принято нормировать минимальную освещенность на более темном участке рабочей поверхности. При этом учитывается : точность зрительной работы, коэффициент отражения рабочей поверхности и контраст объекта различения с фоном. Точность работы определяется наименьшим размером (в мм) объекта различения, за который принимается предмет, его часть или дефект, различаемые во время работы (риска, трещина, линия на чертеже).
Если работа связана с повышенной опасностью травматизма или напряженная зрительная работа выполняется в течение всего рабочего дня, то нормы освещенности повышаются на одну ступень согласно шкале освещенности (см.п.1.3.СНиП).
В помещениях, где выполняют работу малой и очень малой точности, при кратковременном пребывании людей или при наличии оборудования, не требующего постоянного обслуживания, нормы освещенности снижаются на одну ступень.
Нормируется также качественные показатели : ослепленности, дискомфорта и пульсации излучения, характеризующие свет от блеских источников, неравномерное распределение яркостей в поле зрения и изменение яркости освещения (люминесцентные лампы). Совмещенное освещение допускается в случаях, когда при условии технологии или организации производства, а также при условии планировки невозможно обеспечить нормированное значение КЕО, за исключением жилых кухонь, учебных помещений и др. В качестве искусственного освещения в данном случае используются газоразрядные лампы. Прямые солнечные лучи в больших дозах вредны : вызывают слепимость и повышают температуру воздуха в помещениях, нагревают оборудование.
Все это ведет к утомлению зрения, к потере ориентации, к снижению производительности труда, авариям, травмам. Поэтому в производственных помещениях (II-V климат.районах) предусматриваются солнцезащитные устройства (жалюзи, шторы).
ПРОЕКТИРОВАНИЕ СОВМЕЩЕННОГО ОСВЕЩЕНИЯ
6.8 Проектирование совмещенного освещения основывается на предварительном изучении объемно-планировочного решения здания, функциональных процессов, протекающих в помещениях, светоклиматических и климатических особенностей места строительства.
6.9 Проектирование совмещенного освещения выполняют в следующей последовательности:
а) в соответствии с исходными данными и требованиями – настоящего Свода правил в зависимости от места расположения здания на территории Российской Федерации устанавливают нормированное значение КЕО и освещенность от искусственного освещения в помещении;
б) определяют характеристики системы естественного освещения: тип, размеры, заполнение и расположение световых проемов, светотехнические параметры заполнения световых проемов;
в) определяют характеристики системы общего искусственного освещения: тип, количество и световой поток источников света, тип и количество светильников, их стоимостные и светотехнические характеристики, время использования искусственного освещения;
г) определяют место расположения здания на карте строительно-климатического районирования территории и устанавливают основные климатические параметры: среднюю температуру наиболее холодной пятидневки, среднюю температуру наружного воздуха за отопительный период; продолжительность отопительного периода; продолжительность вентиляционного периода; среднесуточные значения суммарной солнечной радиации на различно ориентированные поверхности;
д) выполняют расчет срока окупаемости затрат для следующих трех вариантов систем совмещенного освещения:
первый – расчетное значение КЕО равно нормированному или больше его при естественном освещении;
второй – расчетное значение КЕО соответствует нормированному при совмещенном освещении без повышения нормы искусственной освещенности;
третий – расчетное значение КЕО соответствует нормированному при совмещенном освещении с повышением нормы искусственной освещенности на одну ступень по шкале освещенности;
е) выбирают вариант, обеспечивающий минимальный срок окупаемости и удовлетворяющий требованиям СНиП 23-05. Равноэкономичные (различающиеся не более чем на 5 %) по сроку окупаемости варианты освещения следует сравнивать по суммарным энергозатратам и выбрать наименее энергоемкий.
4 ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
4.1 При проектировании естественного освещения зданий следует руководствоваться требованиями, установленными СНиП 23-05, указаниями настоящего Свода правил и других документов, утвержденных и согласованных в установленном порядке.
При проектировании освещения следует предпочитать варианты, которые позволяют обеспечивать нормативные требования с наименьшими энергетическими и материальными затратами.
4.2 Система естественного освещения должна обеспечивать:
нормированные значения коэффициента естественной освещенности (КЕО) на рабочих местах или в расчетной точке помещения;
регламентируемые требования к равномерности распределения КЕО в рабочих зонах помещения;
нормированное значение коэффициента запаса;
максимальное время использования естественного света.
ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ РАСЧЕТ ПЛОЩАДИ СВЕТОВЫХ ПРОЕМОВ И КЕО ПРИ БОКОВОМ ОСВЕЩЕНИИ
7.2 Предварительный расчет размеров световых проемов при боковом освещении без учета противостоящих зданий следует проводить с применением графиков, приведенных для помещений жилых зданий на рисунке , для помещений общественных зданий – на рисунке , для школьных классов – на рисунке . Расчет следует производить в следующей последовательности:
Рисунок 1 – График для определения относительной площади световых проемов Ас.о/Ап при боковом освещении жилых помещений
Рисунок 2 – График для определения относительной площади световых проемов Ас.о/Аппри боковом освещении помещений общественных зданий
Рисунок 3 – График для определения относительной площади световых проемов Ас.о/Аппри боковом освещении школьных классов
а) в зависимости от разряда зрительной работы или назначения помещения и группы административных районов по ресурсам светового климата Российской Федерации по приложению И СНиП 23-05 определяют нормированное значение КЕО для рассматриваемого помещения;
б) определяют глубину помещения dп,высоту верхней грани световых проемов над уровнем условной рабочей поверхности h01 и отношение dпh01;
в) на оси абсцисс графика (рисунки , или ) определяют точку, соответствующую определенному значению dпh01,через найденную точку проводят вертикальную линию до пересечения с кривой, соответствующей нормированному значению КЕО. По ординате точки пересечения определяют значение Ас.о/Ап;
г) разделив найденное значение Ас.о/Апна 100 и умножив на площадь пола, находят площадь световых проемов в м2.
7.3 В случае когда размеры и расположение световых проемов в проекте зданий были выбраны по архитектурно-строительным соображениям, предварительный расчет значений КЕО в помещениях следует производить по рисункам – в следующей последовательности:
а) по строительным чертежам находят суммарную площадь световых проемов (в свету) Ас.о и освещаемую площадь пола помещения Апи определяют отношение Ас.о/Ап,
б) определяют глубину помещения dп, высоту верхней грани световых проемов над уровнем условной рабочей поверхности h01 и отношение dпh01;
в) с учетом типа помещений выбирают соответствующий график (рисунки , или );
г) по значениям Ас.о/Апи dпh01на графике находят точку с соответствующим значением КЕО.
Графики (рисунки – ) разработаны применительно к наиболее часто встречающимся в практике проектирования габаритным схемам помещений и типовому решению светопрозрачных конструкций – деревянным спаренным открывающимся переплетам.
Если в проекте здания приняты другие типы заполнения световых проемов, то найденные по рисункам – значения относительной площади световых проемов следует делить, а значение КЕО умножать на коэффициент К1, приведенный в таблице .
ВЫБОР ЗНАЧЕНИЙ КЕО
5.1 В соответствии со СНиП 23-05 территория Российской Федерации зонирована на пять групп административных районов по ресурсам светового климата. Перечень административных районов, входящих в группы обеспеченности естественным светом, приведен в таблице .
Таблица 1
Административный район
1
Московская, Смоленская, Владимирская, Калужская, Тульская, Рязанская, Нижегородская, Свердловская, Пермская, Челябинская, Курганская, Новосибирская, Кемеровская области, Республика Мордовия, Чувашская Республика, Удмуртская Республика, Республика Башкортостан, Республика Татарстан, Красноярский край (севернее 63° с.ш.), Республика Саха (Якутия) (севернее 63° с.ш.), Чукотский автон. округ, Хабаровский край (севернее 55° с.ш.)
2
Брянская, Курская, Орловская, Белгородская, Воронежская, Липецкая, Тамбовская, Пензенская, Самарская, Ульяновская, Оренбургская, Саратовская, Волгоградская области, Республика Коми, Кабардино-Балкарская Республика, Республика Северная Осетия-Алания, Чеченская Республика, Республика Ингушетия, Ханты-Мансийский автономный округ, Республика Алтай, Красноярский край (южнее 63° с.ш.), Республика Саха (Якутия) (южнее 63° с.ш.), Республика Тыва, Республика Бурятия, Читинская область, Хабаровский край (южнее 55° с.ш.), Магаданская, Сахалинская области
3
Калининградская, Псковская, Новгородская, Тверская, Ярославская, Ивановская, Ленинградская, Вологодская, Костромская, Кировская области, Республика Карелия, Ямало-Ненецкий автономный округ, Ненецкий автономный округ
4
Архангельская, Мурманская области
5
Республика Калмыкия, Ростовская, Астраханская области, Ставропольский край, Краснодарский край, Республика Дагестан, Амурская область, Приморский край
5.2 Значения КЕО в жилых и общественных зданиях, расположенных в первой группе административных районов, принимают в соответствии с приложением И СНиП 23-05.
5.3 Значения КЕО в жилых и общественных зданиях, расположенных во второй, третьей, четвертой и пятой группах административных районов, определяют по формуле
eN = eнmN,(1)
где N – номер группы административных районов по таблице ;
ен– нормированное значение КЕО по приложению И СНиП 23-05;
mN– коэффициент светового климата, принимаемый по таблице .
Таблица 2
Ориентации световых проемов по сторонам горизонта
Коэффициент светового климата тN
Номер группы административных районов
1
2
3
4
5
В наружных стенах зданий
С
1
0,9
1,1
1,2
0,8
СВ, СЗ
1
0,9
1,1
1,2
0,8
З, В
1
0,9
1,1
1,1
0,8
ЮВ, ЮЗ
1
0,85
1
1,1
0,8
Ю
1
0,85
1
1,1
0,75
В зенитных фонарях
–
1
0,9
1,2
1,2
0,75
Примечание – С – северная; СВ – северовосточная; СЗ – северо-западная; В – восточная; З – западная; Ю – южная; ЮВ – юго-восточная; ЮЗ – юго-западная ориентация.
Полученные по формуле () значения следует округлять до десятых долей.
Значения КЕО увязывают с нормированными значениями освещенности Енот искусственного освещения при различных зрительных работах через критические наружные освещенности по формуле
Ен = 0,01ерЕкр,(2)
где ер – расчетный коэффициент естественной освещенности;
Екр – критическая наружная освещенность.
Формула
Вычисление КЕО производится по формуле:
КЕО = (Евнутр / Евнешн) * 100%,
где: Евнутр — показатель внутренней освещённости помещения, создаваемой солнечным светом, лк;
Евнешн — показатель наружной освещённости, лк.
При определении величины КЕО учитываются следующие факторы:
- Тип системы освещения в помещении. Оно может быть естественным, искусственным или совмещённым.
- Направление потока света — верхний, боковой. Также освещение может быть комбинированным и включать как верхнее, так и боковое направление световых потоков.
- Назначение помещения, в котором проводятся измерения.
