Розрахунок освітлення та його оптимізація.

Залежно від джерела світла виробниче освітлення може бути:

- природним, що створюється прямими сонячними променями та розсіяним світлом небосхилу;

- штучним, що створюється електричними джерелами світла та суміщеним, при якому недостатнє за нормами природне освітлення доповнюється штучним.

Природне освітлення поділяється на:

- бокове (одно- або двохстороннє), що здійснюється через світлові отвори (вікна) в зовнішніх стінах;

- верхнє, здійснюване через ліхтарі та отвори в дахах і перекриттях;

- комбіноване — поєднання верхнього та бокового освітлення.

Штучне освітлення може бути

- загальним,

- місцевим

- комбінованим.

Загальним називають освітлення, при якому світильники розміщуються e верхній зоні приміщення (не нижче 2,5 м над підлогою) рівномірно (загальне рівномірне освітлення) або з врахуванням розташування робочих місць (загальне локалізоване освітлення).

Комбіноване освітлення складається із загального та місцевого. Його доцільно застосовувати при роботах високої точності, а також, якщо необхідно створити певний або змінний, в процесі роботи, напрямок світла.

Місцеве освітлення створюється світильниками, що концентрують світловий потік безпосередньо на робочих місцях. Застосування лише місцевого освітлення не допускається з огляду на небезпеку виробничого травматизму та професійних захворювань.

За функціональним призначенням штучне освітлення поділяється на:

- робоче,

- аварійне,

- евакуаційне,

- охоронне,

- чергове.

Робоче освітлення призначене для забезпечення виробничого процесу, переміщення людей, руху транспорту і є обов'язковим для всіх виробничих приміщень.

Аварійне освітлення використовується для продовження роботи у випадках, коли раптове відключення робочого освітлення, та пов'язане з ним порушення нормального обслуговування обладнання може викликати вибух, пожежу, отруєння людей, порушення технологічного процесу. Мінімальна освітленість робочих поверхонь при аварійному освітленні повинна складати 5% від нормованої освітленості робочого освітлення, але не менше 2 лк.

Евакуаційне освітлення призначене для забезпечення евакуації людей з приміщень при аварійному відключенні робочого освітлення. Його необхідно влаштовувати в місцях, небезпечних для проходу людей; в приміщеннях допоміжних будівель, де можуть одночасно знаходитись більше 100 чоловік; в проходах; на сходових клітках, у виробничих приміщеннях, в яких працює більше 50 чоловік. Мінімальна освітленість на підлозі основних проходів та на сходах при евакуаційному освітленні повинна бути не менше 0,5 лк, а на відкритих майданчиках — не менше 0,2 лк.

Охоронне освітлення влаштовується вздовж меж території, яка охороняється в нічний час спеціальним персоналом. Найменша освітленість повинна бути 0,5 лк на рівні землі.

Чергове освітлення передбачається у неробочий час, при цьому, як правило, використовують частину світильників інших видів штучного освітлення.

Природне освітлення має важливе фізіолого-гігієнічне значення для працюючих. Воно сприятливо впливає на органи зору, стимулює фізіологічні процеси, підвищує обмін речовин та покращує розвиток організму в цілому. Сонячне випромінювання зігріває та знезаражує повітря, очищуючи його від збудників багатьох хвороб (наприклад, вірусу грипу). Окрім того, природне світло має і психологічну дію, створюючи в приміщенні для працівників відчуття безпосереднього зв'язку з довкіллям.

Природному освітленню властиві і недоліки: воно непостійне в різні періоди доби та року, в різну погоду; нерівномірно розподіляється по площі виробничого приміщення; при незадовільній його організації може викликати засліплення органів зору.

На рівень освітленості приміщення при природному освітленні впливають наступні чинники:

- світловий клімат;

- площа та орієнтація світлових отворів;

- ступінь чистоти скла в світлових отворах;

- пофарбування стін та стелі приміщення;

- глибина приміщення;

- наявність предметів, що заступають вікно як зсередини так із зовні приміщення.

Оскільки природне освітлення непостійне впродовж дня, кількісна оцінка цього виду освітлення проводиться за відносним показником — коефіцієнтом природного освітлення (КПО):

де Е_вн— освітленість в даній точці всередині приміщення, що створюється світлом неба (безпосереднім чи відбитим);

Е_зовн — освітленість горизонтальної поверхні, що створюється в той самий час ззовні світлом повністю відкритого небосхилу.

Нормовані значення КПО визначаються „Будівельними нормами і правилами" (СНиП ІІ-4-79). В основі визначення КПО покладено розмір об’єкта розпізнавання, під яким розуміють предмет, що розглядається-або ж його частину, а також дефект, який потрібно виявити.

Розрахунок природного освітлення полягає у визначенні площі світлових отворів (вікон, ліхтарів) у відповідності з нормованим значенням КПО.

Розрахунок площі вікон при боковому освітленні проводиться за допомогою наступного співвідношення:

де S_в — площа вікон;

S_п — площа підлоги приміщення;

е_н — нормоване значення КПО;

k_з — коефіцієнт запасу;

h_в — світлова характеристика вікон;

k_буд — коефіцієнт, що враховує затінення вікон протилежними будівлями;

t_в — загальний коефіцієнт світлопропускання;

r — коефіцієнт, що враховує підвищення КПО завдяки світлу, відбитому від поверхонь приміщення та поверхневого шару, що прилягає до будівлі (земля, трава).

Штучне освітлення передбачається у всіх виробничих та побутових приміщеннях, де недостатньо природного світла, а також для освітлення приміщень в темний період доби. При організації штучного освітлення необхідно забезпечити сприятливі гігієнічні умови для зорової роботи і одночасно враховувати економічні показники.

Найменша освітленість робочих поверхонь у виробничих приміщеннях регламентується СНиП П-4-79 і визначається, в основному, характеристикою зорової роботи (табл. 1). Норми носять міжгалузевий характер. На їх основі, як правило, розробляють норми для окремих галузей промисловості.

Таблиця 1. Норми штучного та природного освітлення виробничих приміщень

Характеристика зорової роботи	Найменший розмір об’єкта розпізнавання, мм	Розряд зорової роботи	Штучне освітлення	Природне освітлення	Суміщене освітлення
Освітленість, лк	КПО, %
При комбінованому освітленні	При загальному освітленні	При верхньому чи комбінованому освітленні	При боковому освітленні	При верхньому чи комбінованому освітленні	При боковому освітленні
Високої точності	0,3-0,5	III	2000-400	500-200				1,2
Середньої точності	0,5-1,0	IV	750-300	300-150		1,5	2,4	0,9
Малої точності	1-5	V	300-200	200-100			1,8	0,6
Загальне спостереження за ходом виробничого процесу	-	VIII	-	75-30		0,3	0,7	0,2

В СНиП ІІ-4-79 вісім розрядів зорової роботи, із яких перших шість характеризуються розмірами об'єкту розпізнавання. Для І — V розрядів, які окрім того мають ще і по чотири під розряди (а, б, в, г), нормовані значення залежать не тільки від найменшого розміру об'єкта розпізнавання, але і від контрасту об'єкта з фоном та характеристики фону. Найбільша нормована освітленість складає 5000 лк (розряд Іа), а найменша — 30 лк (розряд VIIIв).

Для розрахунку штучного освітлення використовують, в основному, три методи:

- світлового потоку (коефіцієнту використання),

- точковий,

- питомої потужності.

Метод світлового потоку призначений для розрахунку загального рівномірного освітлення горизонтальних поверхонь. Цей метод дозволяє врахувати як прямий світловий потік, так і відбитий від стін та стелі. Світловий потік лампи Ф_л визначають за формулою:

де Е — нормована освітленість, лк;

S — площа освітлюваного приміщення, м²;

k_з — коефіцієнт запасу, що враховує зниження освітленості в результаті забруднення та старіння ламп (k_з=1,3—1,8);

Z— коефіцієнт нерівномірності освітлення (Z=1,1—1,15);

N — кількість світильників;

n — кількість ламп в світильнику;

h — коефіцієнт використання світлового потоку. Коефіцієнт h визначається за світлотехнічними таблицями залежно від показника приміщення і, коефіцієнтів відбиття стін та стелі. Показник приміщення i знаходиться за формулою:

де a I b — довжина і ширина приміщення, м;

h_р — висота світильника над робочою поверхнею, м.

Порахувавши світловий потік лампи Ф_л, за таблицею вибирають найближчу стандартну лампу і визначають електричну потужність всієї освітлювальної установки.

Точковий метод призначений для розрахунку локалізованого та комбінованого освітлення, а також освітлення похилих площин. В основу точкового методу покладене рівняння:

де I_a — сила світла в напрямку від джерела на задану точку робочої поверхні, кд;

a — кут падіння світлових променів, тобто кут між променем та перпендикуляром до освітлюваної поверхні;

r — відстань від світильника до заданої точки.

Для практичного використання e формулу підставляють коефіцієнт запасу k та значення r = h_р/соs_a, тоді

Значення сили світла I_a приводяться в світлотехнічних довідниках.

Метод питомої потужності вважається найбільш простим, однак і найменш точним, тому його застосовують лише при наближених розрахунках. Цей метод дозволяє визначити потужність кожної лампи Р_л (Вт) для створення e приміщенні нормованої освітленості

де р — питома потужність, Вт/м² (приймається за довідниками для приміщень даної галузі);

S — площа приміщень, м²;

N — число ламп в освітлювальній установці.

Для вимірювання світлотехнічних величин застосовують люксметри, фотометри, вимірювачі видимості тощо. У виробничих умовах для контролю освітленості робочих місць та загальної освітленості приміщень найчастіше використовують люксметри типів Ю—116, Ю—117 та універсальний портативний цифровий люксметр-яскравомір ТЗС 0693. Робота цих приладів базується на явищі фотоефекту — перетворенні світлової енергії в електричну.

Наведемо деякі приклади розрахунку освітлення.

Природне освітлення

Умова задачі

Розрахувати кількість віконних прорізів для приміщення штучного запліднення тварин при наступних його розмірах: в=6м глибина, вздовж вікон l=16м, розміри вікон 0,8·1,5м.

Розрахунок природного освітлення зводиться до знаходження S – сумарної площі світлових прорізів, за формулою

де S – сумарна площа вікон, м²;

S_п – площа підлоги, м²;

е_min – нормоване значення КПО при боковому освітленні, % (табл. 3);

k – коефіцієнт, що враховує затемнення вікон навпроти розташованими будинками (табл. 4);

η₀ – світлова характеристика вікна (табл. 5);

t₀ – загальний коефіцієнт світлопропускання

r₁ – коефіцієнт, що враховує відбиття світла при боковому освітленні (табл. 6).

Рішення

1. Площа підлоги S_п=l·b=16·6=96м²

2. Значення КПО для робіт VI розряду зорової роботи і боковому освітленні приймаємо з табл. е_min=0,5%.

3. Приймаємо, що відношення відстані до навпроти розташованого будинку (L) до висоти розміщення карнизу будинку над підвіконням вікна (h), що затемнюється дорівнює 1,5. Тоді коефіцієнт затемнення k=1,2.

4. η₀ – світлова характеристика вікна залежить від відношення від довжини приміщення до його глибини l/b та відношення глибини до висоти від b/h, де h відстань по вертикалі від верхнього краю вікна до робочої поверхні. В нашому випадку приймемо h=2м.

Відношення l/b=16/6=2,5, відношення b/h=6/2=3,0. При цих відношеннях η₀ =17.

5. Приймаємо, що приміщення із незначним виділенням пилу, диму, має вертикальні, одинарні дерев’яні рами.

При цих умовах коефіцієнт світлопропускання τ₀=0,5 (табл. 7).

6. Приймаємо середнє значення коефіцієнта відбиття світла від стін на стелі r=0,3. Враховуючи це, коефіцієнт, що враховує відображення світла при боковому освітленні r₁=2.

7. Розраховуємо сумарну площу світлових прорізів

8. Визначаємо кількість віконних прорізів:

Приймаємо 8 вікон.

Таблиця 3. Значення коефіцієнта природного освітлення (КПО) (по СНиП ІІ-А.8-72)

Характеристика зорової роботи	Найменший розмір об’єкту розрізнен-ня, мм	Розряд зорової роботи	КПО при
верхньому комбіновано-му освітленні	боковому освітленні
Виконувана робота
Середньої точності	0.5…1	IV		1.5
Малої точності (переробка с.г. продуктів)	1…5	V
Груба (гаражі, сараї для зберігання техніки, приготування кормів, інкубаційні зали)	Більше 5	VI		0.5
Загальний нагляд за ходом виробничого процесу (тваринницькі приміщення)	-	VIII		0.3
Постійний, періодичний нагляд за обладнання	-	VIII	0.7	0.2
Робота на механізованих і немеханізованих складах	-	IX	0.5	0.1

Таблиця 4. Значення коефіцієнту k

Lн /hк	k	Lн /hк	k
0,5	1,7	1,5	1,2
	1,4	2,0	1,1

Примітка. L_н – відстань до протилежної будівлі, м; h_к – висота розташування карнизу протилежної будівлі над підвіконням світлопройому будівлі, м.

Таблиця 5. Світлова характеристика ліхтарів η_л

Типи ліхтарів	ηл при відношенні довжини вздовж осі ліхтаря hл до висоти приміщення Н і при відношенні висоти приміщення до вершини прольоту
0.4	0.7		0.4	0.7		0.4	0.7
Ліхтарі з вертикальним двостороннім застекленням (прямокутні, м-образні)	5.2 5.2 4.7	8.0 6.1 4.7	9.4 7.5 4.7	4.7 4.7 4.3	7.3 5.6 4.3	8.9 6.9 4.3	3.9 3.9 3.5	6.0 4.6 3.5	7.3 5.6 3.5
Ліхтарі з вертикальним одностороннім застекленням (шеди)	3.7 3.0 3.0	4.3 3.7 3.0	5.3 4.3 3.0	3.7 2.7 2.7	3.8 3.2 2.7	4.6 3.8 2.7	2.7 2.2 2.7	2.7 2.2 2.2	3.1 2.2 2.2
Ліхтарі з нахилом двостороннім застекленням (трапецевидні, м-образні)	4.6 4.6 4.2	7.1 5.4 4.2	8.8 4.2	4.0 4.0 3.6	6.3 4.7 3.6	7.6 5.8 3.6	3.3 3.3 3.0	5.1 3.9 3.0	6.3 4.8 3.0
Ліхтарі з одностороннім застекленням	3.0 2.5	3.5 3.0	4.2 3.5	2.7 2.3	3.2 2.7	3.9 3.2	2.3 1.9	2.7 2.3	3.3 2.7
Ліхтарі зенітні, а також світлові прорізи в перекриттях, заповнених світлопластиком	2.5 2.1 2.1 2.1	2.5 2.5 2.3 2.1	2.5 3.1 2.5 2.1	2.3 1.9 1.9 1.9	2.3 2.3 2.1 1.9	2.3 2.8 2.3 1.9	1.9 1.5 1.5 1.5	1.9 1.8 1.7 1.5	1.9 2.3 1.8 1.5

Таблиця 6. Коефіцієнт r₁, враховуючий відбите світло при боковому освітленні

Середнє значення коефіцієнту відбитого світла від стін і стелі	Одностороннє освітлення	Двостороннє освітлення
0,5 0,4 0,3		2,2 1,7 1,2

Таблиця 7. Загальний коефіцієнт світлопропускання t₀

Приміщення	Застеклення	Дерев’яні переплетення	Стальні переплетення
одинарні	двійні	одинарні	двійні
Із значними виділеннями пилу	Вертикальне	0,4	0,25	0,5	0,30
Те ж, диму і кіптяви	Похиле	0,3	0,20	0,4	0,25
З незначними виділеннями пилу	Вертикальне	0,5	0,35	0,6	0,4
Те ж, диму і кіптяви	Похиле	0,4	0,25	0,5	0,3

Штучне освітлення

Умова задачі: Підібрати тип та потужність ламп розжарювання для освітлюваної установки при наступних даних: число ламп 40, довжина приміщення 36м, ширина – 12м, відстань від підлоги до стелі 6м, в приміщенні проходе заготівля корму. Тип світильника та дані, яких недостатньо приймаємо самі.

Задачу вирішуємо методом світлового потоку. Світловий потік F_л(лм), який повинна випромінювати кожна електрична лампа, розраховується по формулі

де S_n – площа підлоги, м²;

Е – нормуюче значення освітлення для даного виду роботи, як (табл. 8);

k – коефіцієнт запасу (табл. 9);

z – коефіцієнт нерівномірного освітлення (табл. 10);

n – кількість ламп в установці, шт.

η – коефіцієнт використання світлового потоку (табл.11).

Рішення:

1. Площа підлоги в приміщенні S_n =l · b=36·12=432м²

2. Нормуюче освітлення для кормозаготівлі Е=100лк.

3. Коефіцієнт запасу залежить від запиленості повітря в приміщенні. Приймаємо, що в даному приміщенні в повітрі знаходиться пилу не більше 5мг/м³. Для приміщення з такою концентрацією пилу, коефіцієнт запасу дорівнює k=1,3.

4. z – коефіцієнт нерівномірності освітлення, залежить від типу світильників та від їх геометричного розміщення в приміщенні, характеризується відношенням l_c/h_n, де h_n – висота підвісу світильника над робочою поверхнею, м.

Вибираємо тип світильника – “Універсаль” без затемнення.

Світильники, як правило, розміщуються по центрам умовних квадратів. Їх відстань визначається за формулою

де S_n – 432м² – площа підлоги; n – 40шт. – кількість ламп

4.3. Висота підвісу світильника визначається за формулою h_n=H-(h₁+h₂)=6-(1+0,5)=4,5м. Приймаємо h₁=1м – відстань від підлоги до освітленої робочої поверхні; h₂=0,5м – відстань від стелі до світильника.

4.4. Знаходимо відношення l_c/h_n=3,28/4,5=0,73

4.5. При відношенні l_c/h_n==0,73 для світильника “Універсаль” без затінення коефіцієнт нерівномірності освітлення z=0,63.

5. η_с – коефіцієнт використання світлового потоку залежить від коефіцієнту відбиття світла від стін і стелі (a) та від показника форми приміщення (j).

5.1. Для прямокутних приміщень j розраховується за формулою j=S_n/h_n(l+b)=432/4,5(36+12)=2/6=

де S_n=432м² – площа підлоги; h_n=4,5м – висота підвісу світильника; l=36, b=12 – довжина та ширина приміщення в м.

При наявності значень α і j з табл. 11 визначаємо η_с=0,56.

6. Знаючи всі дані формули розраховуємо світловий потік

F_n=(432·100·1,3·0,63)/(40·0,56)=1579,5лм

У відповідності до ГОСТу 2239-70 (табл.12) приймаємо для використання лампу типу Г-150, напругою 220Вт, світловим потоком 2000лм і світловіддачею 13,3лм/Вт.

Таблиця 8. Норми штучного освітлення, лк (по НТП-СХ)

Приміщення	Загальне освітлення робочої поверхні
люмінесцентні лампах	лампи розжарювання
Корівники: зона доїння
годувальня
Доїльні зали
Приміщення для первинної переробки молока (молочна)
Телятники (підлоги)
Свинарники-відгодівельники
Свинарники-маточники
Вівчарні
Пташники (для курей-несучок)
Інкубатор
Кормоприготувальний цех:
біля змішувача
біля котлів
Пульт управління і машинне відділення
Склади
Гардеробні
Коридори і проходи
Санвузли

Таблиця 9. Значення коефіцієнту запасу k, який враховує можливість забруднення світильників осідаючого на них пилу, що залежить від характеру виробництва

Освітлюваний об’єкт	Значення k
При газорозрядних лампах	При лампах розжарювання
Виробниче приміщення з повітряним середовищем, яке має пил, дим і кіптяву, мг/м3 10 і більше при темному пилу при світлому пилу від 5 до 10 при темному пилу при світлому пилу Допоміжне приміщення з нормальним повітряним середовищем, громадські і житлові приміщення з повітряним середовищем в якому знаходиться не більше 5мг/м3 Територія промислового підприємства з повітряним середовищем, з наявністю кіптяви, диму, мг/м3: більше 5 5 і менше	1,8 1,8 1,6 1,5 1,5 1,5	1,7 1,5 1,5 1,4 1,3 1,3 1,3

Таблиця 10. Значення коефіцієнту Z в залежності від типу світильника і відстані між світильниками

Тип світильника	Значення z при t
0,8	1,0	1,2	1,4	1,5	1,75
"Універсаль": без затемнення з матовим затемненням	0,630 0,650	0,740 0,770	0,896 0,938	0,950 0,975	0,977 0,925	0,865 0,912	0,828 0,845
"Люцетта"	0,545	0,660	0,735	0,913	0,867	0,734	0,595
Емальований глибоковипромінювач	0,637	0,775	0,907	0,988	0,990	0,907	0,830

Таблиця 11. Значення коефіцієнту η_с для світильників різних типів

Тип світильника	Коефіцієнт відображення, %	Значення ηс при величині φ
стелі	стін	0,5	0,6	0,8	1,0	1,5
"Універсаль": без затемнення з матовим затемненням	0,3 0,5 0,7 0,3 0,5 0,7	0,1 0,3 0,5 0,1 0,3 0,5	0,21 0,24 0,28 0,14 0,17 0,21	0,27 0,30 0,34 0,19 0,22 0,26	0,35 0,38 0,42 0,26 0,28 0,32	0,4 0,42 0,45 0,30 0,32 0,35	0,46 0,48 0,51 0,35 0,36 0,40	0,5 0,52 0,55 0,39 0,40 0,43	0,55 0,57 0,60 0,43 0,43 0,47	0,57 0,59 0,62 0,45 0,47 0,49	0,58 - - 0,46 0,48 0,51
"Люцетта"	0,3 0,5 0,7	0,1 0,3 0,5	0,14 0,16 0,22	0,19 0,21 0,27	0,25 0,26 0,33	0,29 0,31 0,37	0,34 0,37 0,44	0,38 0,41 0,48	0,44 0,47 0,54	0,46 0,50 0,59	0,48 0,32 0,61
Лампа без відображувача	0,3 0,5 0,7	0,1 0,3 0,5	0,10 0,13 0,21	0,14 0,18 0,26	0,19 0,24 0,32	0,22 0,28 0,37	0,28 0,36 0,54	0,32 0,40 0,51	0,38 0,46 0,59	0,42 0,51 0,64	0,48 0,54 0,67

Таблиця 12. Світлові і електричні параметри ламп розжарювання по (ГОСТ 2239-70)

Тип ламп і потужність, Вт	Світловий потік, лм	Світлова віддача, лм/Вт	Світловий потік, лм	Світлова віддача, лм/Вт
при напрузі 127 В	при напрузі 220 В
В-12		9,0		7,0
В-25		10,4		8,8
Б-40		12,4		10,0
БК-40		13,0		11,5
Б-60		13,7		11,9
БК-100		16,3		14,5
Г-150		15,3		13,3
Г-200		16,0		14,0
Г-300		16,5		15,4
Г-500		18,2		16,6
Г-750		18,5		17,5
Г-1000		19,5		18,6