Строительная светотехника

8 Нормирование и проектирование искусственного

освещения зданий

9 Нормирование и проектирование инсоляции

помещений зданий и территории застройки

10 Предварительный расчет площади световых проемов

11 Проверочный расчет коэффициента естественной

освещенности

8 Нормирование и проектирование искусственного

освещения зданий

Искусственное освещение, не зависящее от времени дня, сезона, погоды, обеспечивает возможность нормальной жизнедеятельности человека в условиях отсутствия или недостатка естественного света. Более того, с помощью искусственного света решается ряд задач, вообще недоступных для естественного освещения.

Существуют две системы искусственного освещения помещений: общее (равномерное или локализованное) и комбинированное, когда общее освещение помещений дополняется местным на рабочих местах.

Действующие отечественные нормы искусственного освещения установлены исходя из требований обеспечения зрительной работоспособности, видимости, необходимой производительности труда. Общепринято количественные требования к освещению определять нормированной освещенностью на рабочей поверхности (с учетом коэффициента запаса на снижение светового потока во времени вследствие запыления и старения ламп и светильников).

Нормирование

Нормы промышленного освещения составлены с учетом дифференциации зрительных работ и предусматривают нормирование освещенности при общей и комбинированной системах освещения. Согласно нормам все виды работ разбиты на разряды исходя из размеров объектов различия и расстояния от глаза до объекта, равного 0,5 м, и на подразряды с учетом контраста объекта с фоном, а также сочетанием нормируемых величин показателя ослепленности и коэффициента пульсации.

Под объектом различия подразумевается часть рассматриваемого предмета (например, нить ткани, трещина, риска и т.п.) которую необходимо различать в процессе работы.

Контраст объекта различия с фоном определяется отношением абсолютной величины разности между яркостью объекта и фона к яркости фона. Считают следующий контраст объекта различения с фоном:

- большой – при более 0,5 (объект и фон резко отличаются по яркости);

- средний – при от 0,2 до 0,5 (объект и фон заметно отличаются по яркости);

- малый – при менее 0,2 (объект и фон мало отличаются по яркости).

Фон, т.е. поверхность, на которой рассматривается объект наблюдения, считается: темным при коэффициенте отражения < 0,2; средним – при = 0,2 – 0,4; светлым – при > 0,4.

Слепящий эффект при системах общего и комбинированного освещения должен быть устранен или ограничен. Критерием оценки слепящего эффекта светильников служит показатель ослепленности, который определяется как:

(24)

где - коэффициент ослепленности, равный отношению пороговых разностей яркости при наличии и отсутствии слепящих источников света.

Устранение или уменьшение ослепленности обеспечивается правильным расположением светильников по отношению к рабочему месту, соблюдая высоту подвеса светильников, применением светильников с защитными углами не менее 15⁰, использованием светильников перекрытых рассеивателями, плафонами, колпаками из молочного стекла.

Коэффициент пульсации освещенности , %, является критерием оценки относительной глубины колебаний освещенности в осветительной установки в результате изменения во времени светового потока источника света при их питании переменным током, и выражается формулой:

(25)

где и - соответственно максимальное и минимальное значения освещенности за период ее колебания, лк;

- среднее значение освещенности за этот же период, лк.

Проектирование

При расчете осветительной установки нужно решить две задачи:

- определить освещенности и яркости и их распределение в интерьере;

- определить необходимую мощность источников света в соответствии с нормированной для проектируемого помещения освещенностью.

В общем случае решение этих задач требует расчета распределения прямых и отраженных световых потоков, падающих от осветительных приборов и устройств на внутренние поверхности интерьера – потолок, стены, пол. Таким образом, суммарная освещенность в любой точке внутренних поверхностей определяется как сумма двух слагаемых:

(26)

где - прямая компонента освещенности;

- отраженная компонента освещенности.

Отраженная компонента, создаваемая многократно отраженными световыми потоками, обычно распределяется в пространстве интерьера равномерно и характеризует пространственную диффузную освещенность. Распределение освещенности, создаваемое прямой компонентой, может быть неравномерным, поскольку оно зависит от характера светораспределения светильника и его расположения в пространстве интерьера.

Схемы к расчету освещенности на горизонтальной и вертикальной поверхностях от точечного источника света покажем на рисунке 7.

Рисунок 7 – Схемы к расчету освещенности от точечного источника света

на горизонтальной (а) и вертикальной (б) поверхностях

Расчет освещенности в точке на горизонтальной поверхности производится по формуле:

(27)

где - сила света светильника по направлению к точке, в которой определяется освещенность (для этого пользуются кривой распределения силы света светильника);

- расчетная высота подвеса светильника над уровнем горизонтальной плоскости;

- угол между направлением силы света к расчетной точке и оптической осью светильника.

Если поверхность вертикальна, то ее освещенность от точечного источника света в точках или определяется из выражения:

(28)

где - вертикальная освещенность;

и - геометрические параметры, принимаемые по рисунку 7.

Если плоскость падения луча перпендикулярна вертикальной плоскости, то .

Схему к расчету освещенности на горизонтальной плоскости от светящейся линии покажем на рисунке 8.

Рисунок 8 - Схемы к расчету освещенности от светящейся линии

на горизонтальной поверхности

Расчет освещенности от светящейся линии для точки , в которой определяется освещенность, производится формуле:

(29)

где - функция зависящая от светораспределения светильника

здесь - угол, под которым видна святящаяся линия из расчетной точки.

Расчет освещенности от светящихся поверхностей равномерной яркости производится по формуле (11).

Для расчета мощности осветительной установки при системе общего освещения и равномерном расположении светильников над горизонтальной плоскостью применяется метод коэффициента использования, выражаемый уравнением:

(30)

где - световой поток ламп в одном светильнике, лм;

- нормированная освещенность, лк;

- площадь помещения, м³;

- коэффициент запаса;

- отношение средней освещенности к минимальной (по справочным данным);

- число светильников в помещении;

- коэффициент использования осветительной установки, принимаемый по справочникам данным; зависит от индекса помещения , а также от коэффициента отражения потолка, стен и пола помещения:

(31)

здесь и - размеры помещения в плане, м;

- высота светильников над расчетной плоскостью, м;

Удобным для проектирования является метод удельной мощности, которая характеризуется отношением суммарной мощности источника света к площади освещаемого помещения. Сущность этого метода заключается в замене в уравнении светового потока ламп произведением мощности ламп на световую отдачу , т.е.

(32)

Решая это уравнение относительно удельной мощности , имеем:

(33)

Из формулы (33) видно, что удельная мощность – основной энергетический показатель осветительной установки – зависит от расчетного значения освещенности , коэффициента использования осветительной установки , типа источника света и расположения светильников .

Найденная из справочных таблиц для конкретного помещения удельная мощность, умноженная на площадь, определяет общую установленную мощность. Эта мощность, деленная на общее число, установленных в помещении ламп, и определяет мощность каждой лампы. При применении люминесцентных светильников число ламп определяется частным от деления общей установленной мощности на единичную мощность выбранных люминесцентных ламп.

9 Нормирование и проектирование инсоляции

помещений зданий и территории застройки

Инсоляция (лат. insolatio, от insolo – выставляю на солнце) – суммарное солнечное облучение поверхностей и пространств – важнейший фактор формирования климата.

Воздействие инсоляции на человека и окружающую среду двойственно; оно благотворно и экономически выгодно, поэтому необходимо обеспечить доступ солнечного света в городские пространства и интерьеры зданий в любых географических районах; оно же вызывает перегрев, световой дискомфорт, УФ-переоблученность и перерасход электроэнергии на регулирование микроклимата в зданиях, что предопределяет необходимость защиты от него и рационального его использования.

Воздействие Солнца на человека складывается из четырех факторов, таблица 2.

Комфортные ощущения и эстетическое воздействие светоцветовой среды (положительные эмоции) возможны только при условии исключения таких угнетающих человека факторов, как физиологически и психологически недостаточные уровни освещенности, УФ- и ИК-облученности или, наоборот, чрезмерные уровни яркостей поля адаптации и УФ- и ИК-переоблученности.

Эти качества световой среды зависят от инсоляции, идея нормирования которой в строительстве возникла в конце XIX в., когда еще не было представлений о связи этого нормирования с биологическим действием солнца. На эту связь впервые указал Ф. Эрисман³. Конкретные же предположения по градостроительному нормированию инсоляции впервые были внесены российскими учеными в 40-х годах (В.К. Беликова, Н.М. Данциг).

Критерием для установки этих норм служили два фактора психоэмоциональное и биологическое воздействие инсоляции.

Нормирование

Нормы СанПиН 2.2.1/2.1.1.1076-01 "Гигиенические требования к инсоляции и солнцезащите помещений жилых и общественных зданий и территорий" распространяются на проектирование новой и реконструируемой застройки, городов, поселков и сельских населенных пунктов. Требование инсоляции не распространяется на проектирование застройки промышленных зон и производственных зон сельскохозяйственных предприятий.

Таблица 2 – Единство положительных и отрицательных воздействий

инсоляции в архитектуре

Аспект воздействия инсоляции	Положительные эффекты	Отрицательные эффекты
Биологический	Бактерицидный – счи­та­ется, что за 2–2,5 часа уль­трафиолетовая радиация (УФР) убивает до 100% бактерий в чашке Петри2, установленной в солнечном пятне на подоконнике. Эритемный – под воз­дей­ствием УФР на кожу чело­века, в организме вы­раба­тывается витамин Д	Фотохимическая токсич­ность отработанных газов в городах, переоблученность и канцерогенность, пере­грев (общий и местный) и световой дискомфорт, раз­рушающее действие на жи­вую клетку, материалы
Психологический	Солнечность освещения, динамика распределения яркостей и цветностей в поле зрения, связь с внеш­ним пространством	Снижение активности и настроения при световом дискомфорте и перегреве
Эстетический	Выявление пространства, формы, пластики, силуэта и цветовых соотношений, ритма элементов архитек­туры и "живописности"	Снижение вопрсития формы и ощущения насы­щенности цвета при чрез­мерных яркостях, выцвета­ние поверхностей

Продолжительность инсоляции регламентируется в жилых зданиях, детских дошкольных учреждениях, учебных учреждениях начального, среднего, дополнительного и профессионального образования, школах-интернатах, детских домах и др., лечебно-профилактических, санитарно-оздоровительных и курортных учреждениях, учреждениях социального обеспечения (домах интернатов для инвалидов и престарелых, хосписах и др.). На территории детских игровых площадок, спортивных площадок жилых домов; групповых площадок дошкольных учреждений; спортивной зоны, зоны отдыха общеобразовательных школ и школ-интернатов; зоны отдыха ЛПУ стационарного типа продолжительность инсоляции должна составлять не менее 3 ч на 50% площади участка независимо от географической широты.

Нормативная продолжительность инсоляции устанавливается на определенные календарные периоды с учетом географической широты местности:

- северная зона (севернее 58⁰ с.ш.) – с 22 апреля по 22 августа не менее 2.5 ч в день;

- центральная зона (58⁰ с.ш. – 48⁰ с.ш.) – с 22 марта по 22 сентября не менее 2 ч в день;

- южная зона (южнее 48⁰ с.ш.) – с 22 февраля по 22 октября не менее 1.5 ч в день.

Траектория движения солнца и период суточной инсоляции для каждой географической широты и каждого времени года различны: в северных районах траектория более пологая и протяженная, в южных – более крутая и короткая.

Проектирование

Продолжительность инсоляции в течение суток для каждой местности определяется временем видимого движения солнца по небосводу, рисунок 9.

- азимут, отсчитываемый от северной части меридиана по часовой стрелке; - угол возвышения солнца над горизонтом, образованный линией луча солнца к точке на земле и проходящий через нее горизонтальной линией в той же вертикальной плоскости

Рисунок 9 – Видимый путь солнца и облучение здания

для периода равноденствия

Горизонтальный угол положения солнца определяется азимутом , т.е. углом между горизонтальной и вертикальной плоскостью, проходящей через солнце. Азимут отсчитывается от северной части меридиана по часовой стрелке (на восток) от 0⁰ до 360⁰. Возвышение солнца над горизонтом измеряется углом , образованным линией луча солнца к точке на земле и проходящей через нее горизонтальной линией в той же вертикальной плоскости.

Для определения координат Солнца на различных широтах и в требуемое время дня нужны сложные астрономические расчеты. Для архитектурной практики разработаны так называемые инсоляционные графики.

Инсоляционный график представляет собой проекцию на горизонтальную плоскость наклонной плоскости сектора небосвода, см. рисунок 10.

Рисунок 10 – Инсоляционный график для расчета

продолжительности инсоляции

Сходящиеся в расчетной точке "О" азимутальные линии графика представляют собой проекцию секторальных углов наклонной плоскости. Параллельные линии на графике являются горизонталями этой плоскости, превышения которых отсчитывают от нулевой горизонтали, проходящей через расчетную точку "О".

Инсоляционный график, разработанный для определенной географической широты, может применяться для расчета продолжительности инсоляции в пределах ± 2,5⁰.

Расчет продолжительности инсоляции на весь период проводится на день начала периода или день его окончания.

Расчет продолжительности инсоляции помещений выполняется в расчетной точке, которая определяется с учетом расположения и размеров затеняющих элементов здания.

При расчете продолжительности инсоляции участка территории принимается расчетная точка, которая расположена в центре инсолируемой половины участков территории.

Определение продолжительности инсоляции проводится в следующей последовательности:

- на плане и вертикальном разрезе помещения определяют горизонтальные и вертикальные углы светопроема и расчетную точку "В" помещения в плане, рисунок 11;

- на генплане участка застройки определяют положение расчетной точки помещения и отмечают расчетную высоту противостоящего здания;

- центральную точку "О" инсоляционного графика совмещают с расчетной точкой "В" помещения и ориентируют график по сторонам горизонта;

- по инсоляционному графику определяют продолжительность инсоляции помещения в пределах горизонтальных и вертикальных инсоляционных углов светового проема, рисунок 12.

Проектирование солнцезащиты является важным средством повышения комфортности внутренней среды в зданиях. Нормы требуют обязательное ограничение избыточного теплового воздействия инсоляции в жилых комнатах, помещениях ДДУ, учебных помещениях, в палатах санаторно-оздоровительных учреждений и учреждений социального обеспечения, имеющих юго-западную ориентацию светопроемов.

Рисунок 11 – Горизонтальный и вертикальный (соответственно и )

углы светопроема

, - инсоляционные углы; - затеняющий угол

Рисунок 12 – Определение продолжительности инсоляции

в расчетной точке

Ограничение теплового воздействия должно в этом случае обеспечиваться устройством балконов, лоджий или солнцезащитных устройств (СЗУ).

СЗУ могут быть стационарными или регулируемыми. Регулируемые СЗУ представляют собой горизонтальные или вертикальные жалюзи с поворачивающимися перьями. Наиболее рационально с точки зрения теплозащиты наружное расположение жалюзи. Однако такое расположение требует надежной и прочной конструкции СЗУ для защиты от погодных воздействий. Межстекольное расположение жалюзи ведет к перегреву межстекольного пространства. Внутреннее расположение жалюзи превращает их в источник тепловой радиации внутри помещения, так как они нагреваются солнцем. Для снижения этого негативного эффекта межстекольные и внутренние жалюзи должны окрашиваться в белый или очень светлый цвет и выполняться из малотеплоемкого материала.

10 Предварительный расчет площади световых проемов

Предварительный расчет площади световых проемов производится:

а) при боковом освещении по формуле:

, %

б) при верхнем освещении по формуле:

, %

где - площадь световых проемов (в свету) при боковом освещении, м²;

- площадь пола помещения, м²;

- нормированное значение КЕО, %;

- коэффициент запаса, учитывающий загрязнение заполнений световых проемов в процессе эксплуатации;

- световая характеристика окон, определяемая в зависимости от отношения длины помещения к его глубине и отношении глубины помещения к его высоте от уровня условной рабочей поверхности до верха окна ;

- коэффициент, учитывающий затенение окон противостоящими зданиями, определяемый в зависимости от расстояния между рассматриваемым и противостоящим зданием к высоте расположения карниза противостоящего здания над подоконником рассматриваемого светового проема ;

- общий коэффициент светопропускания, определяемый по формуле:

здесь - коэффициент светопропускания материала;

- коэффициент, учитывающий потери света в переплетах светопроема;

- коэффициент, учитывающий затенение несущими конструкциями (при боковом освещении =1);

- коэффициент, учитывающий потери света в солнцезащитных устройствах;

- коэффициент, учитывающий затенение защитной сеткой, устанавливаемой под фонарями (принимается равным 0.9);

- коэффициент, учитывающий повышение КЕО при боковом освещении благодаря свету отраженному от поверхностей помещения и подстилающего слоя, прилегающего к зданию;

- коэффициент, учитывающий повышение КЕО при верхнем освещении благодаря свету отраженному от поверхностей помещения;

Для нахождения и требуется определить средневзвешенный коэффициент отражения по формуле:

где , , - коэффициенты отражения стен, потолка и пола;

, , - площади стен, потолка (за вычетом и ) и пола, м²;

- площадь световых проемов (в свету) при верхнем освещении, м²;

- световая характеристика фонаря, зависящая от типа фонарей, числа пролетов, отношения длины помещения к ширине пролета и высоты помещения к ширине пролета ;

- коэффициент, учитывающий тип фонаря.

11 Проверочный расчет коэффициента естественной

освещенности

Проверочный расчет коэффициента естественной освещенности (КЕО) производится:

а) при боковом освещении по формуле:

б) при верхнем освещении по формуле:

в) при верхнем и боковом (комбинированном) освещении по формуле:

где - геометрический КЕО в расчетной точке при боковом освещении, учитывающий прямой свет неба и определяемый по графикам I и II Данилюка А.М.;

- коэффициент, учитывающий неравномерную яркость облачного неба;

- геометрический КЕО в расчетной точке при боковом освещении, учитывающий свет, отраженный от фасадов противостоящих зданий, определяемый по графикам I и II;

- коэффициент, учитывающий относительную яркость фасада противостоящего здания, зависит от материала отделки фасада противостоящего здания;

- геометрический КЕО в расчетной точке при верхнем освещении, определяемый по графикам II и III;

- среднее значение геометрического КЕО при верхнем освещении на линии пересечения условной рабочей поверхности и плоскости характерного вертикального разреза помещения, определяется как:

здесь - число расчетных точек;

- геометрический КЕО в расчетных точках.

Среднее значение КЕО при верхнем или комбинированном освещении определяется по формуле:

где - число точек, в которых определяется КЕО;

- значение КЕО при верхнем и комбинированном освещении в точках характерного разреза помещения.

Полученные расчетные значения следует округлять до десятых долей. Допускается отклонение расчетного значения КЕО от нормированного КЕО на 10%.

Геометрический КЕО , учитывающий прямой свет неба в какой-либо точке помещения при боковом освещении определяется по формуле:

где - количество лучей по графику I, проходящих от неба через световые проемы в расчетную точку на плане помещения, рисунок 13:

Рисунок 13 – определение лучей проходящих через световые проемы

в стене при боковом освещении по графику I

- количество лучей по графику II, проходящих от неба через световые проемы в расчетную точку на плане помещения, рисунок 14;

Рисунок 14 – определение лучей проходящих через световые проемы

в стене при боковом освещении по графику II

Геометрический КЕО , учитывающий свет неба, отраженный от противостоящего здания при боковом освещении, определяется по формуле:

где - число лучей по графику I, проходящих от фасада противостоящего здания через световой проем в расчетную точку на поперечном разрезе помещения, рисунок 15;

Рисунок 15 – Определение лучей и (от неба и противостоящего

здания), проходящих через световые проемы в стене

по графику I

- число лучей по графику II, проходящих от фасада противостоящего здания через световой проем в расчетную точку на плане помещения.

Геометрический коэффициент естественной освещенности в какой-либо точке помещения при верхнем освещении определяется по формуле:

где - число лучей по графику III, проходящих от неба в расчетную точку через световые проемы на поперечном разрезе помещения, рисунок 16;

- количество лучей по графику II, проходящих от неба в расчетную точку через световые проемы на продольном разрезе помещения (в случае нескольких световых проемов и определяется отдельно для каждого проема, а затем произведения суммируются), рисунок 17;

Рисунок 16 – Определение лучей , проходящих через световые

проемы при верхнем освещении по графику III

Рисунок 17 – Определение числа лучей , проходящих через световые

проемы при верхнем освещении по графику II