Основные светотехнические характеристики

Южно-Российский государственный технический университет

(Новочеркасский политехнический институт)

ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ОСВЕЩЕНИЕ

Методические указания

К курсовому и дипломному проектированию

По курсу «Безопасность жизнедеятельности»

Новочеркасск 2002

УДК 621.32 ( 075.8)

Рецензенты: канд. техн. наук Т.Ф. Пересунько

канд. техн. наук В.И. Гребенников

Новиков С.И., Казьмина Г.В.

Производственное освещение: Метод. указания к курсовому и дипломному проектированию/ Юж.-Рос.гос.техн.ун-т. Новочеркасск; ЮРГТУ, 2002 , – с.

Изложены различные методики расчета искусственного и естественного производственного освещения, выбора светильников и источников света. Приведены примеры расчетов, справочные данные, выдержки из СНиП.

Пособие предназначено для студентов ЭМФ, ЭН всех специальностей и может быть использовано при курсовом и дипломном проектировании.

© Южно-Российский государственный

технический университет , 2002

© Новиков С.И., Казьмина Г.В., 2002

1. ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ОСВЕЩЕНИЕ. ХАРАКТЕРИСТИКИ

Основные светотехнические характеристики.

Правильно спроекти­рованное и рационально выполненное освещение производственных помещений оказывает положительное психофизиологическое воздействие на работающих, способствует повышению эффективности и безопасности труда, снижает утомление и травматизм, сохраняет вы­сокую работоспособность.

Ощущение зрения происходит под воздействием видимого излуче­ния (света), которое представляет собой электромагнитное излучение с длиной волны 0,38...0,76 мкм. Чувствительность зрения максимальна к электромагнитному излучению с длиной волны 0,555 мкм (желто-зе­леный цвет) и уменьшается к границам видимого спектра.

Освещение характеризуется количественными и качественными показателями. К количественным показателям относятся:

- световой поток Ф – часть лучистого потока, воспринимаемая че­ловеком как свет; характеризует мощность светового излучения, изме­ряется в люменах (лм);

- сила света J – пространственная плотность светового потока; определяется как отношение светового потокаdФ, исходящего от источ­ника и равномерно распространяющегося внутри элементарного телесного угла dΩ, к величине этого угла: J = dФ/ dΩ; измеряется в канделах (кд);

- освещенность Е – поверхностная плотность светового потока; оп­ределяется как отношение светового потокаdФ, равномерно падаю­щего на освещаемую поверхность dS (м²), к ее площади: Е= dФ / dS ; измеряется в люксах (лк);

- яркость L поверхности под углом α к нормали – это отношение силы света dJ _α , излучаемой, освещаемой или светящейся поверхностью в этом направлении, к площади dS проекции этой поверхности, на плоскость, перпендикулярную к этому направлению: L = dJ _α /( dS cosα), измеряется в кд ·м ^–2.

Для качественной оценки условий зрительной работы используют такие показатели как фон, контраст объекта с фоном, коэффициент пульсации освещенности, показатель дискомфорта, показатель ослепленности, спектральный состав света.

Фон – это поверхность, на которой происходит различение объек­та, и характеризуется способностью отражать падаю­щий на нее световой поток. Эта способность (коэффициент отражения ρ) определяется как отношение отраженного от поверхности светового потока Ф_отр к падающему на нее световому потоку Ф_пад : ρ = Ф_отр / Ф_пад . В зависимости от цвета и фактуры поверхности значения коэффици­ента отражения находятся в пределах 0,02–0,95, при ρ >0,4 фон считается светлым, при ρ = 0,2–0,4 — средним и при ρ <0,2 – темным.

Контраст объекта с фоном k — степень различения объекта и фона — характеризуется соотношением яркостей рассматриваемого объекта (точки, линии, знака, пятна, трещины, риски или других элементов) и фона: k = (L_ор – L_о)/L_ор . Контраст считается большим, если k >0,5 (объект резко выделяется на фоне), средним при k = 0,2–0,5 (объект и фон заметно отличаются по яркости) и малым при k < 0,2 (объект слабо заметен на фоне).

Коэффициент пульсации освещенности k_Е – это критерий глубины колебаний освещенности в результате изменения во времени светового потока:

k_Е = 100(E_max – E_min)/(2Е_ср),

где E_max , E_min , Е_ср – максимальное, минимальное и среднее значе­ния освещенности за период колебаний; у газоразрядных ламп коэффициент k_Е колеблется в пределах 25–65 %, для обычных ламп накаливания около k_Е ≈ 7 %, для галогенных k_Е = 1 %.

Показатель дискомфорта нормируется и может быть учтен при расчете по формулам. Однако, практика показывает, что при общем равномерном освещении, а также при отраженном освещении любые нормированные значения показателя дискомфорта обеспечиваются, если минимальная освещенность E_min принимается по нормам СНиП 23-05-95, а коэффициент отражения стен составляет не менее 30 % .

Показатель ослепленности Р₀ – критерий оценки слепящего действия, создаваемого осветительной установкой:

Р₀ = 1000 (V₁/V₂ – l ),

где V ₁ и V₂ – видимость объекта различения соответственно при экранировании и наличии ярких источников света в поле зрения.

Экранирование источников света осуществляется с помощью щит­ков, козырьков и т.п.

Видимость охарактеризует способность глаза воспринимать объект. Она зависит от освещенности, размера объекта, его яркости, контраста объекта с фоном, длительности экспозиции. Видимость определяет­ся числом пороговых контрастов в контрасте объекта с фоном, т.е. V = k/k_пор, где k_пор – пороговый или наименьший различимый глазом контраст, при небольшом уменьшении которого объект становится неразличим на этом фоне.

1.2. Системы и виды производственного освещения.

При освещении производственных помещений используют: естественное освещение, создаваемое прямыми солнечными лучами и рассеянным светом не­босвода и меняющееся в зависимости от географической широты, времени года и суток, степени облачности и прозрачности атмосферы; искусственное освещение, создаваемое электрическими источниками света; совмещенное освещение, при котором недостаточное по нормам естественное освещение дополняют искусственным.

Конструктивно естественное освещение подразделяют на боковое (одно- и двухстороннее), осуществляемое через световые проемы в наружных стенах, верхнее – через аэрационные и зенитные фонари, проемы в кровле и перекрытиях, комбинированное – сочетание вер­хнего и бокового освещения.

Искусственное освещение по конструктивному исполнению может быть двух видов – общее и комбинированное. Систему общего осве­щения применяют в помещениях, где по всей площади выполняются однотипные работы (литейные, сварочные, гальванические цехи), а также в административных, конторских и складских помещениях. Различают общие равномерное (световой поток распреде­ляется равномерно по всей площади без учета расположения рабочих мест) и локализованное освещения (с учетом расположения рабочих мест).

При выполнении точных зрительных работ (например, слесарных, токарных, контрольных) в местах, где оборудование создает глубокие, резкие тени или рабочие поверхности расположены вертикально (штампы, гильотинные ножницы), наряду с общим освещением при­меняют местное. Совокупность местного и общего освещения назы­вают комбинированным . Применение одного местного освещения внутри производственных помещений не допускается, по­скольку образуются резкие тени, зрение быстро утомляется и создается опасность производственного травматизма.

По функциональному назначению искусственное освещение подразделяют на рабочее, аварийное и специальное.

Рабочее освещение предназначено для обеспечения нормального выполнения производственного процесса, прохода людей, движения транспорта и является обязательным для всех производственных по­мещений.

Аварийное освещение устраивают для продолжения работы в тех случаях, когда внезапное отключение рабочего освещения (при авари­ях) и связанное с этим нарушение нормального обслуживания обору­дования могут вызвать взрыв, пожар, отравление людей, нарушение технологического процесса и т.д. Минимальная освещенность рабочих поверхностей при аварийном освещении должна составлять 5 % нор­мируемой освещенности рабочего освещения, но не менее 2 лк.

Специальное освещение может быть охранным, дежурным, эвакуационным, эритемным, бактерицидным и др.

Эвакуационное освещение предназначено для обеспечения эвакуации людей из производственного помещения при авариях и отключении рабочего освещения; организуется в местах, опасных для прохода людей: на лестничных клетках, вдоль основных проходов производст­венных помещений, в которых работают более 50 чел. Минимальная освещенность на полу основных проходов и на ступеньках при эваку­ационном освещении должна быть не менее 0,5 лк, на открытых территориях – не менее 0,2 лк.

Охранное освещение устраивают вдоль границ территорий, охраня­емых специальным персоналом. Наименьшая освещенность в ночное время 0,5 лк.

Сигнальное освещение применяют для фиксации границ опасных зон; оно указывает на наличие опасности, либо на безопасный путь эвакуации.

Условно к производственному освещению относят бактерицидное и эритемное облучение помещений. Бактерицидное облучение («осве­щение») создается для обеззараживания воздуха, питьевой воды, про­дуктов питания. Наибольшей бактерицидной способностью обладают ультрафиолетовые лучи с λ = 0,254–0,257мкм. Эритемное облучение создается в производственных помещениях, где недостаточно сол­нечного света (северные районы, подземные сооружения). Максимальное эритемное воздействие оказывают электромагнитные лучи с λ = 0,297 мкм. Они стимулируют обмен веществ, кровообращение, дыхание и другие функции организма человека.

1.3. Основные требования к производственному освещению.

Основной задачей производственного освещения является поддержание на рабо­чем месте освещенности, соответствующей характеру зрительной ра­боты. Увеличение освещенности рабочей поверхности улучшает видимость объектов за счет повышения их яркости, увеличивает ско­рость различения деталей, что сказывается на росте производительно­сти труда. Так, при выполнении отдельных операций на главном конвейере сборки автомобилей при повышении освещенности с 30 до 75 лк производительность труда повысилась на 8 %. При дальнейшем повышении до 100 лк – на 28 % (по данным проф. AJI. Тарханова). Дальнейшее повышение освещенности не дает роста производительности.

При организации производственного освещения необходимо обес­печить равномерное распределение яркости на рабочей поверхности и окружающих предметах. Перевод взгляда с ярко освещенной на слабо освещенную поверхность вынуждает глаз переадаптироваться, что ве­дет к утомлению зрения и соответственно к снижению производитель­ности труда, искажению восприятия окружающей обстановки, повышению вероятности НС. Для повышения равномерности естественного освещения больших цехов осуществляется комбинированное освещение. Светлая окраска потолка, стен и оборудования способствует равномерному распределению яркостей в поле зрения работающего.

Производственное освещение должно обеспечивать отсутствие в поле зрения работающего резких теней. Наличие резких теней искажает размеры и формы объектов различения и тем самым повышает утомляемость, снижает производительность труда. Особенно вредны дви­жущиеся тени, которые могут привести к травмам. Тени необходимо смягчать, применяя, например, светильники со светорассеивающими молочными стеклами; при естественном освещении – используя солн­цезащитные устройства (жалюзи, козырьки и др.).

Для улучшения видимости объектов в поле зрения работающего должна отсутствовать прямая и отраженная блескость. Блескость — это повышенная яркость светящихся поверхностей, вызывающая на­рушение зрительных функций (ослепленность), т.е. ухудшение види­мости объектов. Блескость ограничивают уменьшением яркости источника света, правильным выбором защитного угла светильника, увеличением высоты подвеса светильников, правильном направлением светового потока на рабочую поверхность, а также изменением угла наклона рабочей поверхности. Там, где это возможно, блестящие поверхности следует заменять матовыми.

Колебания освещенности на рабочем месте, вызванные, например, резким изменением напряжения в сети, обусловливают переадаптацию глаза, приводя к значительному утомлению. Постоянство освещенности во времени достигается стабилизацией плавающего напряжения, жестким креплением светильников, применением специальных схем включения газоразрядных ламп.

При организации производственного освещения следует выбирать необходимый спектральный состав светового потока. Это требование особенно существенно для обеспечения правильной цветопередачи, а в отдельных случаях для усиления цветовых контрастов. Оптимальный спектральный состав обеспечивает естественное освещение. Для со­здания правильной цветопередачи применяют монохроматический свет, усиливающий одни цвета и ослабляющий другие.

Осветительные установки должны быть удобны и просты в эксплуатации, долговечны, отвечать требованиям электробезопас­ности, а также не должны быть причиной возникновения взрыва или пожара. Обеспечение указанных требований достигается применением зануления илизаземления, ограничением напряжения пи­тания переносных и местных светильников, защитой элементов осве­тительных сетей от механических повреждений и т.п.

Для электрического освещения должны применяться газо­разрядные лампы (люминесцентные, ртутные высокого давления с ис­правленной цветностью типов ДРЛ, ДРИ, натриевые, ксеноновые) и лампы накаливания.

Для питания светильников местного стационарного освещения с лампами накаливания должны применяться следующие напряжения: в помещениях без повышенной опасности – не выше 220 В и в помещениях с повышенной опасностью и особо опасных – не выше 42 В.

1.4. Нормирование производственного освещения.

Естественное и искус­ственное освещение в помещениях регламентируется нормами СНиП 23-05-95 [1] в зависимости от характера зрительной работы, системы и вида освещения, фона, контраста объекта с фоном, количества солнечный дней в году и ориентации здания относительно сторон света. Характер зрительной работы определяется наименьшим размером объекта раз­личения (например, при работе с приборами – толщиной линии градуировки шкалы, при чертежных работах – толщиной самой тон­кой линии). В зависимости от размера объекта различения все виды работ, связанные со зрительным напряжением, делятся на восемь разрядов, которые в свою очередь, в зависимости от фона и контраста объекта с фоном делятся на четыре подразряда (табл. 1 прил. 1).

Искусственное освещение нормируется количественными (минимальной освещенностью Е_min) и качественными показателями (показателями ослепленности и дискомфорта, коэффициентом пульсации освещенности k_Е). Принято раздельное нормирование искусственного освещения в зависимости от применяемыхисточников света и системы освещения. Нормативное значение освещенности для газоразрядных ламп при прочих равных условиях из-за их большей светоотдачи выше, чем для ламп накаливания.

При комбинированном освещении доля общего освещения должна быть не менее 10 % нормируемой освещен­ности. Эта величина должна быть не менее 150 лк для газоразрядных ламп и 50 лк для ламп накаливания.

Для ограничения слепящего действия светильников общего осве­щения в производственных помещениях показатель ослепленности не должен превышать 20–80 единиц в зависимости от продолжительности и разряда зрительной работы. При освещении производственных помещений газоразрядными лампами, питаемыми переменным током промышленной частоты 50 Гц, глубина пульсаций не должна превышать 10–20 % в зависимости от продолжительности и разряда зрительной работы.

При определении окончательного нормируемого значения освещенности, следует учитывать также ряд условий, вызывающих необходимость повышения уровня освещен­ности, выбранного по характеру зрительной работы. Увеличение освещенности следует предусматривать, например, при выполнении напряженной зрительной работы I–IV разрядов в течение всего рабочего дня, при повышенной опасности травматизма и в помещениях, где более половины работающих старше 40 лет. В некоторых случаях следует снижать норму освещенности, например, при кратко­временном пребывании людей в помещении [1].

Нормирование естественного освещения.Естественное освещение характеризуется тем, что создаваемая освещенность изменяется в зависимости от времени суток, года, метео­рологических условий. Поэтому в качестве критерия оценки естественного освещения принята относительная величина– коэф­фициент естественной освещенности (КЕО), не зависящий от вышеука­занных параметров. КЕО – это отношение освещенности в данной точке внутри помещения Е_вн к одновременному значению наружной горизонтальной освещенности Е_н , создаваемой светом полностью от­крытого небосвода, выраженное в процентах, т.е. КЕО = 100 Е_вн/Е_н.

В соответствии с характером зрительной работы, системы и вида освещения выбирается определенное (единственное) значение КЕО или Е_min нормируемое.

Принято раздельное нормирование КЕО для бокового и верхнего естественного освещения. При боковом освещении нормируют мини­мальное значение КЕО в пределах рабочей зоны, которое должно быть обеспечено в точках, наиболее удаленных от окна; в помещениях с верхним и комбинированным освещением – по усредненному КЕО в пределах рабочей зоны. Нормированное значение КЕО с учетом ха­рактера зрительной работы, системы освещения, района распо­ложения зданий на территории страны определяется по формуле

е_N = КЕО · m_N ,

где КЕО – коэффициент естественной освещенности (табл. 1, 2) [1];

т – коэффициент светового климата, определя­емый в зависимости

района расположения здания на территории страны по табл. 4[1];

N – номер группы обеспеченности естественным светом по табл.4 [1].

Совмещенное освещение допускается в следующих случаях (табл. 5 [1]):

- для производственных по­мещений, в которых выполняются зрительные работы I и III разрядов;

- для производственных помещений, строящихся в северной климати­ческой зоне страны;

- для помещений, в которых по условиям технологии требуется выдерживать стабильными параметры воздушной среды (уча­стки прецизионных металлообрабатывающих станков, электропреци­зионного оборудования). При этом общее искусственное освещение помещений должно обеспечиваться газоразрядными лампами, а нормы освещенности повышаются на одну ступень.

1.5. Источники света и осветительные приборы.

Источники света, при­меняемые для искусственного освещения, делят на две группы — газоразрядные лампы и лампы накаливания.

При выборе и сравнении источников света друг с другом пользуются следующими параметрами: номинальное напряжение питания U (В), электрическая мощность лампы Р (Вт); световой поток, излучаемый лампой Ф (лм), или максимальная сила света J (кд); световая отдача ψ = Ф/Р (лм/Вт), т.е. отношение светового потока лампы к ее элект­рической мощности; срок службы лампы и спектральный состав света (табл.2, 3 прил. 1; табл.1, 2, 3 прил. 2).

Лампы накаливания относятся к источникам света теплового излучения. Видимое излучение в них получается в результате нагрева электрическим током вольфра­мовой нити. Благодаря удобству в эксплуатации, простоте в изготовлении, низкой инерционности при включении, отсутствии дополнительных пусковых устройств, надежности работы при колебаниях напряжения и различных метеорологических условиях окружающей среды лампы накаливания находят широкое применение в промышленности. Наряду с отмеченными преимуществами, лампы накаливания имеют и существенные недостатки: низкая световая отдача (для ламп общего назначения ψ = 7–20 лм/Вт), сравнительно малый срок службы (до 2,5 тыс. ч), в спектре преобладают желтые и красные лучи, что сильно отличает их спектральный состав от солнечного света.

В последние годы все большее распространение получают галогеновые лампы – лампы накаливания с йодным циклом. Наличие в колбе паров йода позволяет повысить температуру накала нити, т.е. световую отдачу лампы (до 40 лм/Вт). Пары вольфрама, испаряющиеся с нити накаливания, соединяются с йодом и вновь оседают на вольф­рамовую спираль, препятствуя распылению вольфрамовой нити и увеличивая срок службы лампы до 3 тыс. ч. Спектр излучения галогеновой лампы более близок к естественному.

Газоразрядные лампы. В газоразрядных лампах излучение оптического диапазона спектра возникает в результате электрического разряда в атмосфере инертных газов и паров металлов, а также за счет явления люминес­ценции, которое невидимое ультрафиолетовое излучение преобразует в видимый свет.

Основным преимуществом газоразрядных ламп перед лампами накаливания является большая световая отдача 40–110 лм/Вт. Они имеют значительно большой срок службы, который у некоторых типов ламп достигает 8–12 тыс. ч. От газоразрядных ламп можно получить световой поток любого желаемого спектра, подбирая соответствующим образом инертные газы, пары металлов, люминоформ. По спектраль­ному составу видимого света различают лампы дневного света (ЛД), дневного света с улучшенной цветопередачей (ЛЛД), холодного белого (ЛХБ), теплого белого (ЛТБ) и белого цвета (ЛБ).

Основным недостаткомгазоразрядных ламп является пульсациясветового потока, что может привести к появлению стробоскопическо­го эффекта, заключающегося в искажении зрительного восприятия. При кратности или совпадении частоты пульсации источника света и обрабатываемых изделий вместо одного предмета видны изображения нескольких, искажается направление и скорость движения, что делает невозможным выполнение производственных опе­раций и ведет к увеличению опасности травматизма. К недостаткам газоразрядных ламп следует отнести также длительный период разгорания, необходимость применения специальных пусковых приспо­соблений, облегчающих зажигание ламп; зависи­мость работоспособности от температуры окружа­ющей среды. Газоразрядные лампы могут создавать радиопомехи, исключение которых требует специальных устройств.

При выборе источников света для производственных помещений необходимо руководствоваться общими рекомендациями: отдавать предпочтение газоразрядным лампам как энергетически более эконо­мичным и обладающим большим сроком службы; для уменьшения первоначальных затрат на осветительные установки и расходов на их эксплуатацию необходимо по возможности использовать лампы наи­меньшей мощности, но без ухудшения при этом качества освещения. Создание в производственных помещениях качественного и эф­фективного освещения невозможно без рациональных светильников.

Электрический светильник — это совокупность источника света и осветительной арматуры, предназначенной для перераспределения из­лучаемого источником светового потока в требуемом направлении, предохранения глаз рабочего от слепящего действия ярких элементов источника света, защиты источника от механических повреждений, воздействия окружающей среды и эстетического оформления помеще­ния.

Существует номенклатура светильников, единая система их обозначения [4].

В основу такой системы обозначений положена класси­фикация светильников. При составлении классификации можно исходить из светораспределения светильников, их конструктивного исполнения, способа установки, основ­ного назначения или других условий.

В основу светотехнической классификации светильни­ков, разработанной Ю. В. Айзенбергом и Г. М. Кноррингом, положено два признака: распределение светового по­тока, излучаемого светильником в окружающее светильник пространство и форма кривой силы света. На практике нередко возникает необходимость учета распределения света от светильника при расчете светового потока светильника.

Для характеристики светильника с точки зрения распределения светового потока в пространстве пользуются понятием силы света ( см. определение). Распределение силы света светильников обычно представляют в виде таблиц или графиков (рис. 1), которые строят в полярной системе координат.

Рис. 1. Кривые распределения силы света в пространстве:

1 — широкая; 2 — равномерная; 3 — глубокая

Степень предохранения глаз работников от слепящего действия источника света определяют защитным углом светильника. Защитный угол — это угол между горизонталью и ли­нией, соединяющей нить накала (поверхность лампы) с противопо­ложным краем отражателя (рис. 2 ). Важной характеристикой светильника является его коэффициент полезного действия — отно­шение фактического светового потока светильника Ф_ф к световому потоку помещенной в него лампыФ_п, т.е.

η_св =Ф_ф / Ф_п.

По распределению светового потока в пространстве различают светильники прямого, преимущественно прямого, рассеянного, отра­женного и преимущественно отраженного света. Конструкция светиль­ника должна надежно защищать источник света от пыли, воды и других внешних факторов, обеспечивать электро-, пожаро- и взрывобезопасность, стабильность светотехнических характеристик в данных условиях среды, удобство монтажа и обслуживания, соответствовать эсте­тическим требованиям. В зависимости от конструктивного исполнения различают светильники открытые, защищенные, закрытые, пыленепро­ницаемые, влагозащитные, взрывозащищенные, взрывобезопасные. Ниже приведены некоторые наиболее распространенные типы светиль­ников (Рис.3, а -3, д – для ламп накаливания, 3, е -3, ж – для газоразрядных ламп).

Рис. 2. Защитный угол светильника:

а) с лампой накаливания; б) с люминесцентными лам­пами

Рис. 3. Основные типы светильников:

а – «Универсаль»; б – «Глубокоизлучатель»; в – «Люцетта»; г – «Молочный шарик»; д – взрывобезопасный типа ВЗГ; е- типа ОД; ж –типа ПВЛП

Так как число типоразмеров светильников для люминисцентных ламп за последние годы выросло во много раз, светильники со схожими светотехническими характеристиками объединены в группы, для каждой из которой даны усредненные значения коэффициента использования. В качестве примера приведены таблица типов светильников для люминисцентных ламп и их характеристик с указанием групп (табл.3 прил.2). Коэффициенты использования для групп приведены в табл. 5-6 прил.2.

РАСЧЕТ ОСВЕЩЕНИЯ