Неинтенсивные излучения оптического диапазона
Наиболее важной областью оптического спектра ЭМИ является видимый свет. Свет – это возбудитель зрительной сенсорной системы, обеспечивающей нас информацией об окружающей среде. Параметры видимого света влияют на способность получать ощущения и восприятия об окружающей среде.
Освещение выполняет полезную общефизиологическую функцию, способствующую появлению благоприятного психического состояния людей. С улучшением освещения повышается работоспособность, качество работы, снижается утомляемость, вероятность ошибочных действий, травматизма, аварийности. Недостаточное освещение ведет к перенапряжению глаз, к общему утомлению человека. В результате снижается внимание, ухудшается координация движений, что может привести при конкретной физической работе к несчастному случаю. Кроме того, работа при низкой освещенности способствует развитию близорукости и других заболеваний, а также расстройству нервной системы. Повышенная освещенность тоже неблагоприятно влияет на общее самочувствие и зрение, вызывая прежде всего слепящий эффект.
Освещение, удовлетворяющее гигиеническим и экономическим требованиям, называется рациональным. К этим требованиям относятся: достаточная освещенность, равномерность, отсутствие слепимости, благоприятный спектральный состав, экономичность.
ОСНОВНЫЕ СВЕТОТЕХНИЧЕСКИЕ ЕДИНИЦЫ
Для гигиенической оценки условий освещения используются светотехнические единицы, принятые в физике.
Видимое излучение – участок спектра электромагнитных колебаний в диапазоне длины волн от 380 до 770 нанометров (нм), воспринимаемый человеческим глазом.
Световой поток F – мощность лучистой энергии, оцениваемой по световому ощущению, воспринимаемому человеческим глазом. За единицу светового потока принят люмен (лм). Световой поток, отнесенный к пространственной единице – телесному углу ω, называется силой света I:
Iα=dF/dω,
где lα. – сила света под углом ω; dF – световой поток, равномерно распределяющийся в пределах телесного угла dω.
За единицу силы света принята кандела (кд).
Освещенность Е – плотность светового потока на освещаемой поверхности. За единицу освещенности принят люкс (лк)
E=dF/dS,
где dS – площадь поверхности, на которую падает световой поток dF.
Яркость поверхности L в данном направлении– отношение силы света, излучаемого поверхностью в этом направлении, к проекции светящейся поверхности на плоскость, перпендикулярную данному направлению. Единица яркости – кандела на квадратный метр (кд/м2)
Lα = dIα/dS · cosα,
где dIα – сила света, излучаемого поверхностью dS в направлении α.
Яркость освещенных поверхностей зависит от их световых свойств, от степени освещенности, а в большинстве случаев также от угла, под которым поверхность рассматривается.
Световые свойства поверхностей характеризуются коэффициентами отражения ρ, пропускания τ и поглощения β. Эти коэффициенты безразмерные и измеряются в долях единицы (ρ + τ + β = 1) или в процентах:
ρ =Fρ/F; τ=fτ/f; β=Fβ/F;
где Fp, Fβ, Fτ – соответственно отраженный, поглощенный и прошедший через поверхность световой поток.
Требуемый уровень освещенности определяется степенью точности зрительных работ. Для рациональной организации освещения необходимо не только обеспечить достаточную освещенность рабочих поверхностей, но и создать соответствующие качественные показатели освещения. К качественным характеристикам освещения относятся равномерность распределения светового потока, блескость, фон, контраст объекта с фоном и т. д.
Различают прямую блескость, возникшую от ярких источников света и частей светильников, попадающих в поле зрения человека, и отраженную блескость от поверхностей с зеркальным отражением. Блескость в поле зрения вызывает чрезмерное раздражение и снижает чувствительность и работоспособность глаза. Такое изменение нормальных зрительных функций называется слепимостью.
Слепящее действие зависит не только от блескости поверхности, направленной к глазу, но и от контраста различения с фоном (К), который определяется отношением абсолютной разности между яркостью объекта и фона к яркости фона: чем он меньше, тем больше ослепленность.
Контраст объекта различения с фоном (К) считается: большим – при К > 0,5; средним – при К = 0,2 - 0,5; малым – при К < 0,2.
Чтобы избежать слепящего действия света, необходимо подвешивать лампы на определенной высоте, которую выбирают в зависимости от мощности лампы и защитного угла (угла падения света на рабочее место) с учетом отражающих поверхностей.
Для повышения видимости целесообразно увеличить контраст различаемых объектов, что более эффективно и экономично в сравнении с увеличением освещенности рабочей поверхности. При повышении контраста следует учитывать цветность и коэффициенты отражения объектов и фона.
Фоном считается поверхность, прилегающая непосредственно к объекту различения, на которой он рассматривается. Фон характеризуется способностью отражать световой поток и считается светлым при коэффициенте отражения поверхности р > 0,4, средним при р = 0,2-0,4 и темным при р < 0,2.
Для повышения равномерности распределения яркостей в поле зрения потолки и стены рекомендуется окрашивать в светлые тона: салатовый, светло-желтый, кремовый, светло-зеленый или бирюзовый.
Для измерения и контроля освещенности применяют люксметры Ю-116 и Ю-117, принцип действия которых основан на фотоэлектрическом эффекте. При освещении фотоэлемента в цепи соединенного с ним гальванометра возникает фототек, обусловливающий отклонение стрелки миллиамперметра, шкалу которого градуируют в люксах. Для использования в люксметрах наиболее пригоден селеновый фотоэлемент, так как его спектральная чувствительность близка к спектральной чувствительности глаза. Освещенность в диапазоне от О до 100 лк измеряется открытым фотоэлементом без насадок. Использование насадок различных типов, имеющих обозначение К, М, Р, Т, значительно расширяет диапазон измерений освещенности, который доходит до 100 000 лк.
Для измерения яркости используют фотометры, в которых яркость поля прибора сравнивается с яркостью исследуемой поверхности.
Для освещения производственных, служебных, бытовых помещений используют естественный свет и свет от источников искусственного освещения.
ЕСТЕСТВЕННОЕ ОСВЕЩЕНИЕ
Источник естественного (дневного) освещения – солнечная радиация, т. е. поток лучистой энергии солнца, доходящей до земной поверхности в виде прямого и рассеянного света. Естественное освещение является наиболее гигиеничным. Если по условиям зрительной работы оно оказывается недостаточным, то используют совмещенное освещение.
Естественная освещенность меняется в очень широких пределах: в безлунную ночь – 0,0005 лк, при полнолунии – до 0,2 лк, при прямом свете солнца – до 100 000 лк.
Естественное освещение помещений подразделяется на боковое (через световые проемы в наружных стенках), верхнее (через фонари, световые проемы в покрытии, а также через проемы в стенах перепада высот здания), комбинированное – сочетание верхнего и бокового освещения.
Систему естественного освещения выбирают с учетом следующих факторов:
– назначения и принятого архитектурно-планировочного, объемно-пространственного и конструктивного решения зданий;
– требований к естественному освещению помещений, вытекающих из особенностей зрительной работы;
– климатических и светоклиматических особенностей места строительства зданий;
– экономичности естественного освещения.
В зависимости от географической широты, времени года, часа дня и состояния погоды уровень естественного освещения может резко изменяться за очень короткий промежуток времени и в довольно широких пределах. Поэтому основной величиной для расчета и нормирования естественного освещения внутри помещений принят коэффициент естественной освещенности (КЕО) – отношение (в процентах) освещенности в данной точке помещения Евн к наблюдаемой одновременно освещенности под открытым небом Енар.
Расчет естественного освещения заключается в определении площади световых проемов для помещения. Расчет ведут по следующим формулам:
при боковом освещении
при верхнем освещении
где S0, Sф – площадь окон и фонарей, м2; Sn – площадь пола, м2; ен – нормированное значение КЕО; Кз – коэффициент запаса (kз = 1,2-2,0); η0, ηф – световые характеристики окна, фонаря; τ0 – общий коэффициент светопропускания (учитывает оптические свойства стекла, потери света в переплетах, из-за загрязнения остекленной поверхности, в несущих конструкциях, солнцезащитных устройствах); r1, r2, – коэффициенты, учитывающие отражение света при боковом и верхнем освещении; kзд –1-1,7 – коэффициент, учитывающий затемнение окон противостоящими зданиями; kф – коэффициент, учитывающий тип фонаря.
Значения коэффициентов для расчета естественного освещения принимают по таблицам СНиП. Иногда для определения площади световых проемов используют световой коэффициент, равный
где Fc – площадь световых проемов, Fn – площадьпола.
ИСКУССТВЕННОЕ ОСВЕЩЕНИЕ
Искусственное освещение предусматривается в помещениях, в которых недостаточно естественного света, или для освещения помещения в часы суток, когда естественная освещенность отсутствует. Искусственное освещение может быть общим и комбинированным (к общему освещению добавляется местное освещение). Использование только местного освещения недопустимо, так как резкий контраст между ярко освещенными и неосвещенными участками утомляет глаза, замедляет процесс работы и может послужить причиной несчастных случаев и аварий.
По функциональному назначению искусственное освещение подразделяется на рабочее, дежурное, аварийное.
Рабочее освещение обязательно во всех помещениях и на освещаемых территориях для обеспечения нормальной работы людей и движения транспорта. Дежурное освещение включается во внерабочее время.
Аварийное освещение предусматривается для обеспечения минимальной освещенности в производственном помещении на случай внезапного отключения рабочего освещения.
В современных многопролетных одноэтажных зданиях без световых фонарей с одним боковым остеклением в дневное время суток применяют одновременно естественное и искусственное освещение (совмещенное освещение). Важно, чтобы оба вида освещения гармонировали одно с другим. Для искусственного освещения в этом случае целесообразно использовать люминесцентные лампы.
В современных осветительных установках, предназначенных для освещения производственных помещений, в качестве источников света применяют лампы накаливания, галогенные и газоразрядные.
Лампы накаливания. Свечение в этих лампах возникает в результате нагрева вольфрамовой нити до высокой температуры. Промышленность выпускает различные типы ламп накаливания: вакуумные(В), газонаполненные(Г) (наполнитель – смесь аргона и азота), биспиральные(Б), с криптоновым наполнением(К). Лампы накаливания просты в изготовлении, удобны в эксплуатации, не требуют дополнительных устройств для включения в сеть. Недостаток этих ламп – малая световая отдача от 7 до 20 лм/Вт при большой яркости нити накала, низкий кпд, равный 10-13%; срок службы 800-1000 ч. Лампы дают непрерывный спектр, отличающийся от спектра дневного света преобладанием желтых и красных лучей, что в какой-то степени искажает восприятие человеком цветов окружающих предметов.
Галогенные лампы накаливания наряду с вольфрамовой нитью содержат в колбе пары того или иного галогена (например, йода), который повышает температуру накала нити и практически исключает испарение. Они имеют более продолжительный срок службы (до 3000 ч) и более высокую светоотдачу (до 30 лм/Вт).
Газоразрядные лампы, излучают свет в результате электрических разрядов в парах газа. На внутреннюю поверхность колбы нанесен слой светящегося вещества – люминофора, трансформирующего электрические разряды в видимый свет. Различают газоразрядные лампы низкого (люминесцентные) и высокого давления.
Люминесцентные лампы создают в производственных и других помещениях искусственный свет, приближающийся к естественному, более экономичны в сравнении с другими лампами и создают освещение более благоприятное с гигиенической точки зрения.
К другим преимуществам люминесцентных ламп относятся больший срок службы (10000 ч) и высокая световая отдача, достигающая для ламп некоторых видов 75 лм/Вт, т. е. они в 2,5-3 раза экономичнее ламп накаливания. Свечение происходит со всей поверхности трубки, а следовательно, яркость и слепящее действие люминесцентных ламп значительно ниже ламп накаливания. Низкая температура поверхности колбы (около 5°С), делает лампу относительно пожаробезопасной.
Несмотря на ряд преимуществ, люминесцентное освещение имеет и некоторые недостатки: пульсация светового потока, вызывающая стробоскопический эффект (искажение зрительного восприятия объектов различия – вместо одного предмета видны изображения нескольких, а также направления и скорости движения); дорогостоящая и относительно сложная схема включения, требующая регулирующих пусковых устройств (дроссели, стартеры); значительная отраженная блескость; чувствительность к колебаниям температуры окружающей среды (оптимальная температура 20-25°С); понижение и повышение температуры вызывает уменьшение светового потока.
В зависимости от состава люминофора и особенностей конструкции различают несколько типов люминесцентных ламп: ЛБ – лампы белого света, ЛД – лампы дневного света, ЛТБ – лампы тепло-белого света, ЛХБ – лампы холодного света, ЛДЦ – лампы дневного света правильной цветопередачи. Наиболее универсальны лампы ЛБ. Лампы ЛХБ, ЛД и особенно ЛДЦ применяются в случаях, когда выполняемая работа предполагает цветоразличение.
Для освещения открытых пространств, высоких (более 6 м) производственных помещений в последнее время большое распространение получили дуговые люминесцентные ртутные лампы высокого давления (ДРЛ). Эти лампы, в отличие от обычных люминесцентных ламп, сосредотачивают в небольшом объеме значительную электрическую и световую мощность. Такие лампы выпускают мощностью от 80 до 1000 Вт. Лампы работают при любой температуре внешней среды. Кроме того, их можно устанавливать в обычных светильниках взамен ламп накаливания. К недостаткам ламп относится длительное, в течение 5–7 мин, разгорание при включении.
Ведутся разработки по созданию мощных ламп, дающих спектр, близкий к спектру естественного света. Такими источниками являются дуговая кварцевая лампа ДКсТ, выполненная из кварцевого стекла и наполненная ксеноном под большим давлением, галогенные (ДРИ) и натриевые лампы (ДНаТ). Это лампы с цветопередачей, их мощность составляет1-2 кВт. Такие лампы можно применять для освещения производственных помещений высотой более10 м.
Для освещения помещений, как правило, следует предусматривать газоразрядные лампы низкого и высокого давления. В случае необходимости допускается использование ламп накаливания. Источники света выбирают с учетом рекомендаций СНиП. Для искусственного освещения нормируемый параметр – освещенность. СНиП устанавливают минимальные уровни освещенности рабочих поверхностей в зависимости от точности зрительной работы, контраста объекта и фона, яркости фона, системы освещения и типа используемых ламп.
Существует несколько методов расчета освещения, наиболее простой – метод удельной мощности, но он менее точен и им пользуются только для ориентировочных расчетов.
Значение удельной мощности указано в таблицах справочников по светотехнике в зависимости от типа светильника, высоты его подвеса, площади пола и требуемой освещенности. Удельную мощность вычисляют по формуле:
где п – число светильников; Р – мощность лампы, Вт; S - освещаемая площадь, м2.
Основной метод расчета – по коэффициенту использования светового потока, которым определяется поток, необходимый для создания заданной освещенности горизонтальной поверхности: при общем равномерном освещении с учетом света, отраженного стенами и потолком. Расчет выполняют по следующим формулам:
для ламп накаливания и ламп типов ДРЛ, ДРИ и Днат
для люминесцентных ламп
где F – световой поток одной лампы, лм; Е – нормированная освещенность, лк; S – площадь помещения, м2; z – поправочный коэффициент светильника (для стандартных светильников 1,1-1,3); k – коэффициент запаса, учитывающий снижение освещенности при эксплуатации (k = 1,1-1,3), п – число светильников; и – коэффициент использования, зависящий от типа.
По окончании монтажа системы освещения обязательно проверяют освещенность. Если фактическая освещенность отличается от расчетной более чем на -10 и +20%, то изменяют схему расположения: светильников или мощность ламп. Источники искусственного света помещают в специальную осветительную арматуру (осветительный прибор), которая обеспечивает требуемое направление светового потока на рабочие поверхности, защищает глаза от слепящего действия ламп, предохраняет лампы от загрязнения и механических повреждений, а также изолирует их от неблагоприятной внешней среды. Осветительный прибор ближнего действия называется светильником, дальнего действия – прожектором.
Аварийное освещение предназначено для освещения производственных помещений при отключении рабочего освещения. Оно должно быть достаточным для безопасного выхода людей из помещения и продолжения работы в помещениях и на открытых пространствах в тех случаях, когда отключение рабочего освещения может вызвать пожар, взрыв, отравление газами (парами), длительное расстройство технологического процесса, нарушение работы важнейших объектов, таких, как водоснабжение электростанции, узлы радиопередачи и т. п. Наименьшая освещенность рабочих поверхностей при аварийном режиме должна составлять не менее 2 лк внутри зданий и не менее 1 лк на открытых площадках.