Введение

Важнейшим условием жизни и деятельности человека является свет. Без естественного или искусственного света человек не может выполнить ни сложной работы, ни обычных задач повседневной жизни. Ритм естественного света диктует образ жизни людей.

Особую роль играет естественное освещение. Привычный для человека спектральный состав естественного света, его динамика, т. е. изменение освещенности во времени, благоприятно влияют на психофизиологическое состояние человека. Действуя через кожу, естественный свет образует в организме витамины, улучшает обмен веществ, закаливает организм человека против заболеваний. В этом проявляется морфофункциональное действие природной световой среды. Кроме того, естественный свет (в особенности ультрафиолетовая радиация) убивает болезнетворные бактерии, т. е. оказывает бактерицидное действие.

Источником природной световой энергии является солнце. Проходя через земную атмосферу, солнечные лучи частично рассеиваются, образуя диффузный свет неба. Когда солнце не закрыто облаками, прямые лучи достигают земной поверхности. Прямой и рассеянный свет, отражаясь от поверхности земли, увеличивает яркость неба, особенно у горизонта, а также влияет на освещение. Таким образом, естественное освещение состоит из трех компонентов: прямого солнечного света, рассеянного (диффузного) света неба и отраженного от земли света, образующих в зависимости от широты, преобладающей облачности, коэффициента отражения (светового альбедо) земной поверхности и прозрачности атмосферы световой климат местности.

Естественный свет проходит в помещение через окна и фонари, которые обеспечивают не только освещение помещений, привычное и приятное человеку по спектральному составу и динамике, но также и контакт с внешней средой, необходимый для нормального самочувствия человека. Кроме того, он обеспечивает постоянное ощущение чувства времени, отсутствующее в безоконных и бесфонарных зданиях. Использование природной световой энергии позво­ляет экономить электроэнергию, затрачиваемую на освещение, и использовать ее для других народнохозяйственных целей.

Однако естественное освещение требует и значительных затрат. Высокая стоимость остекления, намного превышающая стоимость ограждающих конструкций из бетона или других материалов, затраты на очистку и ремонт светопроемов, теплопотери через них зимой и теплопоступления летом привели к тому, что стали строиться промышленные здания, а в некоторых странах даже и школы, без естественного освещения. При этом забывали о том, что указанные выше положительные качества естественного освещения являются насущной потребностью человека.

В настоящее время в нашей стране строительство безоконных и бесфонарных зданий промышленностью допускается лишь в том случае, если это диктует технологический процесс (например, холодильники, хранилища продовольственных товаров, особо герметизирован­ные производства). В гражданских зданиях естественное освеще­ние устраивается во всех случаях, кроме залов театров и кино, некоторых помещений музеев и вспомогательных помещений.

ПОРЯДОК РАССЧЕТА КОЭФФИЦИЕНТА ЕСТЕСТВЕННОЙ ОСВЕЩЕННОСТИ В ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПОМЕЩЕНИЯХ

Оценка качества естественной освещенности является неотъемлемой частью аттестации рабочих мест по условиям труда, осуществляемой на основании требований законов [1,2] и других нормативных документов [3,4, 5].

Цель работы:

1. 
   определение при помощи приборов кео в точках характерного разреза помещения;
   
2. 
   оценка освещения помещения путем сопоставления фактических значений кео с нормируемыми;
   
3. 
   сравнение полученных в результате натурных измерений значений кео с теоретическими и анализ сходимости и причин возможных расхождений.
   

1.Основные принципы нормирования естественной

освещенности

Освещенность поверхности в точке, при выполнении определенной технологической операции, определяется отношением светового потока, подающего на элемент поверхности, содержащий данную точку dФ_v, к площади этого элемента dA:

(1.1)
Единица освещенности люкс (лк), освещенность, создаваемая световым потоком в 1 люмен (лм), равномерно распределенным на поверхности площадью 1 м².

Наружная освещенность все время меняется в за­висимости от погоды, времени года и дня. Соответственно меняется и внутренняя освещенность. Кроме того, человек в силу природы своего зрения не может точно оценивать световую обстановку в помещении, воспринимая абсолютные уровни освещенности. Световая обстановка оценивается им путем сравнения яркостей различных поверхностей и предметов. Для оценки естественного освещения характерно сравнение яркостей внутренних поверхностей с яркостью видимого через светопроем внешнего пространства. Поэтому условия естественной освещенности принято характеризовать относительной величиной — коэффициентом естественной освещенности.

Коэффициентом естественной освещенности (кео) называется отношение естественной освещенности, создаваемой в некоторой точке заданной плоскости внутри помещения светом неба непосредственно или после отражений (Е_в), к одновременному значению наружной горизонтальной освещенности, создаваемой светом полностью открытого небосвода (Е_н) (%):

1.2)

При нормировании естественного освещения учитывают характер зрительной работы, световой климат района расположения здания, и количество солнечных дней. Поэтому нормированное значение кео в данном климатическом районе определяют по формуле:

(1.3)

где:

е—значение кео при рассеянном свете небосвода, определяемое по СНиП (см. табл. приложение 1);

m — коэффициент светового климата (без учета прямого солнечного света), определяют в зависимости от светоклиматического пояса, в котором находится здание (см. табл. приложение 2);

С—коэффициент солнечности климата (с учетом прямого солнечного света), определяют в зависимости от светоклиматического пояса, ориентации помещения относительно сторон горизонта и типа светопроемов (см. табл. приложение 3). Территория СНГс севера на юг разбита на пять свтоклиматических поясов в широтном направлении (приложение 11 ).

С целью снижения теплопотерь допускается уменьшение площади светопроемов на 30% от площади, определенной по значению е_н в зданиях, расположенных в 1 и II светоклиматических поясах; в школах, садах и яслях допускается уменьшение площади светопроемов только на 10%.[ ].

В помещениях для эксплуатации видеодисплейных терминалов освещение должно осуществляться через световые проемы, ориентированные преимущественно на север и северо-восток и обеспечивать КЕО не ниже 1,2% в зонах с устойчивым снежным покровом и не ниже 1,5% на остальной територии (для 3 светового климатического пояса)[11]. Для других поясов расчет проводится по СниП [5].

2. Расчет коэффициентов естественной освещенности

В методиках большинства стран, используется облачное небо при облачности 8—10 баллов. Распределение яркости по такому небу стандартизовано Международной комиссией по освещению (МКО) и может быть представлено формулой закона П.Муна и Д. Спенсера:

(2.1)
где:

Рис.2.1. Неравномерное распределение яркости облачного неба МКО
L
_z и l_q— соответственно яркости (кд\м²) в точках небосвода в зените и под углом  к горизонту (рис.2.1).

Закономерность распределения яркости облачного неба зависит от светового коэффициента отражения подстилающей поверхности земли. Летом, когда земля темная, справедлив закон распределения яркости, выраженный формулой (2.1).

Зимой, при снеговом покрове, распределение яркости по небосводу меняется. Зависимость (2.1) приобретает вид:

(2.2)

Такое распределение принято для расчетов естественного освещения в районах с устойчивым снеговым покровом (приложение 11).

Кео определяют в точках характерного разреза помещения. При этом первая и последняя точка принимаются на расстоянии 1 м от наружной и внутренней стен. В многопролетных промышленных зданиях в каждом пролете первая и последняя точки располагаются на расстоянии 1 м от его осей, причем берется не менее пяти точек на пролет. Точки, как правило, располагаются на уровне условной горизонтальной рабочей поверхности, отстоящей на 0,8 м от пола. Кео рассчитывают по формуле

(2.3)

где:

е_н- составляющая от прямого света небосвода;

е_о- составляющая, учитывающая отраженный свет от внутренних поверхностей помещения;

е_з – составляющая, учитывающая отраженный свет от противостоящих зданий.

Составляющую е_н рассчитывают по формуле:

(2.4)

—геометрический кео;

q—коэффициент, учитывающий неравномерную яркость небосвода (рис.2.2);

₀—общий коэффициент светопропускания проема (приложение 5, приложение 6)

Составляющая е_о, учитывающая отраженный свет от внутренних поверхностей помещения, определяют в случае бокового освещения по формуле:

(2.8)
В случае верхнего естественного освещения е₀ может быть определена из выражения:

(2.9)
где:

е_н^ср — среднее значение составляющей от прямого света небосвода по всему характерному разрезу здания;

r₁ и r₂—эмпирические коэффициенты соответственно при боковом и верхнем освещении, определяемые по таблицам (см. табл. приложения 7 и 8) в зависимости от геометрических параметров помещений и средневзвешенных коэффициентов отражения внутренних поверхностей;

К_ф— коэффициент, учитывающий тип фонарей и зависящий от наличия в них отражающих свет поверхностей (определяется из таблиц приложения 9). Для некоторых типов фонарей, таких, как, например, шеды, он может иметь решающее значение.

В районах с устойчивым снеговым покровом величина отраженной составляющей КЕО при боковом освещении е_о.б увеличивается в 1,2 раза. Так учитывается отражение света от прилегающей поверхности земли.

Различное определение составляющих кео от внутреннего отраженного света е_о.б и е_о.в объясняется различием светораспределения в помещениях с боковыми и верхними светопроемами.

В первом случае распределение света по помещению очень неравномерно. Соответственно неодинаковой является и величина е_о.б в различных точках помещения. При верхнем естественном освещении светораспределение в помещениях значительно более равномерно, поэтому и величину е_о.в считают одинаковой во всех точках помещения.

Составляющую е_з при боковом естественном освещении рассчитывают по формуле:

(2.7)

где:

R — геометрический коэффициент, определяющий телесный угол, под которым видно из данной точки противостоящее здание. Он определяется, так же как и геометрический кео, по графикам Данилюка или по формулам (2.5) или (2.6), где углы ₂, ₁, ₂ и ₁ определяются видимым из окна противостоящим зданием.

К_о – коэффициент, учитывает относительную яркость противостоящего здания и зависит от характера и цвета отделки его фасада (см. табл. приложения 4).

Величину геометрического КЕО определяют по графикам А. М. Данилюка, аналитически ее можно также определить в (%) по формуле:

(2.5)

Расчетная схема формулы (2.5) представлена на рис.2.3. Если длина светопроема очень велика (ленточное остекление), то определеннее  (%) значительно упрощается:

(2.6)
Иными словами, формула (2.6) представляет собой количество лучей, проходящих через светопроем в расчетную точку на характерном поперечном разрезе помещения по графику №1 Данилюка (n₁)

О
стальная часть формулы (2.5) представляет собой количество лучей n₂ по графику № 2 Данилюка, прошедших через светопроем на плане или продольном разрезе помещения. Величины функций углов ₂, ₁, ₂ и ₁ можно выразить через линейные размеры.


Рис.2.2 График для определения значений коэффициентов g и g_c, учитывающих неравномерную яркость облачного неба.

Рис.2.3. Схема к расчету геометрического кео

(у₂=arctg(tg₂cos) ₁=arctg(tg₁cos))

Среднее значение кео при верхнем освещении определяют по формуле

(2.10)
где:

e₁, е₂,..., е_N— значения кео в точках характерного разреза помещения.

Если в зданиях сочетаются системы бокового и верхнего естественного освещения, то такая система называется комбинированной. В этом случае кео определяют как сумму величин кео от боковых и верхних светопроемов. Нормируемое значение кео при комбинированном освещении сравнивают со средним значением кео в помещении.

Расчеты кео в промышленных зданиях с системой верхнего освещения, образованной точечными зенитными фонарями, равномерно распределенными по всей площади покрытия, невозможно вести по графикам Данилюка или по приведенным формулам. Большое количество мелких светопроемов создает при этом большие трудности. Кроме того, эти методы не позволяют учитывать свет, отраженный от стенок фонарей, который играет большую роль, особенно на значительном расстоянии от таких светопроемов, когда прямого света фонари уже не обеспечивают. Расчет кео в этом случае можно проводить по методу коэффициента использования светового потока:

Расчеты кео позволяют проектировщику проверить, правильно ли выбраны размеры, тип, форма и расположение светопроемов в здании. Если система естественного освещения обеспечивает нормируемые величины кео, то это значит, что ее параметры выбраны правильно. Если же имеет место отклонение расчетных значений кео от нормируемых в ту или иную сторону более чем на 10%, то необходимо изменять параметры проектируемой системы естественного освещения.

(2.11)

где:

N –где количество фонарей в покрытии;

S₀-площадь одного фонаря;

- световая активность фонаря (определяется по графику рис. 2.3 );

₀ - общий коэффициент пропускания светопроема; U – коэффициент использования светового потока (см. табл. Приложения 10 );

S_п- площадь пола помещения .

Предварительные расчеты КЕО можно произвести по графикам рис.2.4 и рис.2.5. Исходными значениями для определения КЕО являются отношение площади окна к площади пола и отношения глубины помещения к высоте оконного проема.

В процессе исполнения технологических операций человек выполняет определенную зрительную работу, которая обусловлена размерами объектов различения, освещенностью в производственном помещении и другими факторами. В зависимости от величины объектов различения и особенностей технологического процесса зрительную работу принято классифицировать по 9 разрядам. Так, трудовые операции, выполненные с объектами различения

Р
ис.2.4 Предварительное КЕО для производственных помещений


Рис.2.5 График предварительного определения КЕО для административных помещений.

менее 0,15 мм, отнесены к первому разряду (наивысшей точности), (см. приложение 1).

Основным руководящим документом для классификации зрительных работ являются нормы СниП 11-4-79 [5].