ЕСТЕСТВЕННОЕ ОСВЕЩЕНИЕ. Общие определения

---

При помощи зрения человек получает более 80% информации, качество которой зависит от освещения.

Свет – вид материи, одновременно обладающий корпускулярными и волновыми свойствами (дуализм). С корпускулярной точки зрения – это поток фотонов перемещающихся в вакууме со скоростью 300 000 км/с (в других средах с меньшей скоростью) и не существующих в состоянии покоя; волновой свет – это электромагнитная волна в диапазоне длин от 380 нм (фиолетовый) до 770 нм (красный).

Спектр электромагнитных волн делится на следующие диапазоны:

1. Радиоволны – длина 100 км – 0,1 мм;

2. Инфракрасное излучение – длина 0,1 мм – 770 нм;

3. Видимый свет – длина 770 нм – 380 нм;

4. Ультрафиолетовое излучение – длина 380 нм – 1 нм;

5. Рентгеновское излучение – длина 1 нм – 0,001 нм;

6. Гамма-излучение – длина менее 0,001 нм.

Человеческий глаз способен реагировать только на видимый свет, энергия электромагнитной волны которого трансформируется в нервные импульсы, передаваемые зрительным нервом к зрительной зоне больших полушарий мозга. Спектральный состав солнечного излучения является наиболее благоприятным для человеческого глаза, поэтому при разработке источников искусственного освещения их спектральный состав излучения стараются максимально приблизить к солнечному.

Глаз человека воспринимает множество цветовых оттенков, причем цвет является отражением в ощущениях спектрального состава света, а действие света на глаз характеризуется функцией видимости. Наибольшая чувствительность глаза к зеленому свету с длиной волны λ = 555 нм (υ_λ = 1), а наименьшая на границах видимого света (рис. 2.1). Поэтому, чтобы обеспечить одинаковое зрительное ощущение, поток света с длиной 500 нм (υ_λ = 0,5) должен иметь вдвое большую мощность, чем с длиной 555 нм.

Рис. 2.1 – График функции видимости

Естественное освещение обладает способностью обеззараживать воздух, питьевую воду и продукты питания. Наибольшую бактерицидной способностью обладают ультра-фиолетовые волны с длиной 254…257 нм.

2.2. Физические характеристики света

Раздел физики, занимающийся изучением методики и техники измерения параметров источников света, потоков световой энергии и их проявлений, называется фотометрией. Ниже приведены основные фотометрические величины.

Лучистый поток – количество энергии, переносимой излучением через какую-либо поверхность в единицу времени

(2.1)

Единица измерения – ватт (Вт), измерить его можно по времени и количеству теплоты, которое получит тело при полном поглощении излучения.

Световой поток – часть лучистого потока, которая вызывает зрительные ощущения и характеризует мощность видимой части спектра излучения. Единица измерения – люмен (лм), является технической характеристикой осветительных приборов. Полный световой поток в случае точечного источника

(2.2)

Сила света – отношение светового потока F к величине телесного угла Ω, из которого он выходит

(2.3)

Единица измерения – кандела (кд), основная величина системы СИ.

Освещенность – отношение светового потока, падающего на элемент площади, к величине этой площади

(2.4)

Является нормируемой величиной, единица измерения – люкс (лк),

1 лк = 1 лм/1 м².

Закон Ламберта: освещенность поверхности от точечного источника света прямо пропорциональна косинусу угла его падения и обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника

(2.5)

Зависимостью освещенности от угла падения объясняется смена времен года на Земле. Освещенность предметов имеет большое значение в производственной деятельности: точные работы требуют освещенности 100 лк, чтение – 30…50 лк. Освещенность прямыми лучами Солнца в летний день может достигать 100 000 лк, полная Луна создает освещенность порядка 0,2 лк.

Яркость – отношение силы света элемента поверхности в заданном направлении к площади проекции на данное направление

(2.6)

Единица измерения – нит (нт), причем 1 нт = 1 кд/1 м². Яркость входит в число гигиенических норм освещенности рабочих мест.

2.3. Типы естественного освещения помещений

Естественное – освещение помещений прямым, отраженным или рассеянным солнечным светом, проникающим через проемы в ограждающих конструкциях зданий.

Естественное освещение характеризуется высокой дифузностью (рассеянностью), положительно влияющей на органы зрения человека. Такое освещение не является постоянным, его интенсивность меняется в зависимости от широты местности, времени года и времени суток. Именно непостоянство во времени естественного освещения обусловило введение коэффициента естественной освещенности (КЕО) – важной расчетной светотехнической величины.

Рис. 2.2 – Распределение естественного освещения: 1 – уровень условной рабочей поверхности, 2 – пространственное распределение интенсивности освещения, 3 – средний уровень освещенности; М – точка минимальной освещенности

Существует три типа естественного освещения:

- боковое – осуществляется через световые проемы в наружных стенах, в свою очередь делится на одностороннее (рис. 2.2, а) и двустороннее (рис. 2.2, б);

- верхнее – осуществляется через световые отверстия в крышах, аэрационные и защитные фонари (рис. 2.2, в);

- комбинированное – сочетание верхнего и бокового типов освещения (рис. 2.2, г).

2.4. Гигиенические нормы освещенности робочих мест

Как отмечалось выше, одной из главных величин, характеризующих качество естественного освещения, является коэффициент естественного освещения, определяемый по формуле

, (2.6)

где Е_вн – освещенность внутри помещения, лк; Е_внеш – освещенность под открытым небом, лк.

КЕО нормируется для производственных помещений в зависимости от категории зрительных работ. Для учебных классов, мастерских и лабораторий он должен составлять: 1,5…2% – в условиях бокового освещения; 2…4% при верхнем или комбинированном освещении. КЕО определяется экспериментально с помощью люксметра.

Световой коэффициент является второй характеристикой эффективности естественного освещения и определяется по формуле

(2.7)

где Ѕ_о – суммарная площадь окон, м²; Ѕ_п – площадь пола, м². Для учебных помещений значение светового коэффициента должно находиться в пределах 0,20…0,25.

Распределение светового потока по рабочей зоне характеризует угол освещенности, определяемый по формуле

(2.8)

где Н – расстояние от верхнего края до плоскости рабочей поверхности, м; В – расстояние от рабочего места до конца рабочей поверхности, м. На рабочих местах угол освещенности должен быть не менее 27°.

Нормы естественного освещения помещений устанавливают с учетом обязательной очистки стекол – не менее четырех раз в год для помещений с незначительным выделением пыли.

2.5 Виды расчетов естественного освещения

Существует два вида расчетов естественного освещения:

1. Проектный расчет – используется для определения количества световых проемов (окон и фонарей) и их площади на стадии проектирования производственных помещений.

По размерам помещения при проектном расчете в первую очередь определяется тип освещения согласно рекомендаций, приведенных в п. 2.3. Если освещение боковое, то определяется суммарная площадь окон по формуле

(2.9)

где е_min – минимальное допустимое значение КЕО для данного разряда зрительных работ, %; Ѕ_п – суммарная площадь пола, м²; τ_в = 0,3…0,5 –коэффициент светопропускания окна; k – коэффициент, учитывающий степень затемнения окон стоящими напротив зданиями; r₁ – коэффициент, учитывающий отражение света от конструктивных элементов при боковом освещении; η_о – световая характеристика окон.

При верхнем освещении определяется суммарная площадь фонарей. Для этого сначала находят среднее значение КЕО

(2.10)

где п –количество точек определения КЕО, причем первое и последнее места должны быть соответственно максимально приближены и максимально удалены от светового отверстия. Суммарная площадь фонарей определяется по формуле

(2.11)

где r₂ – коэффициент, учитывающий отражение света от конструктивных элементов при верхнем освещении; η_л – светотехническая характеристика светильников.

2. Проверочный расчет – заключается в определении фактического значения КЕО в эксплуатируемых и реконструируемых помещениях. При проверочном расчете экспериментальным путем определяется фактическое значение КЕО по формуле (2.10) и сравнивается с нормативным значением. Освещение считается удовлетворительным, если выполняется условие

е_ф ≥ е_н. (2.12)

При невыполнении условия (2.12) необходимо увеличить площадь окон или светильников в помещении.

Самостоятельная работа № 2

ПРОВЕРОЧНЫЙ РАСЧЕТ ЕСТЕСТВЕННОГО ОСВЕЩЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПОМЕЩЕНИЙ

Цель работы: изучить методики расчета естественного освещения производственных помещений на примерах решения практических задач.

Задача 1. Рассчитать методом светового коэффициента естественное освещение механического цеха длиной l = 36 м, шириной b = 24 м и высотой h = 8 м.

Решение

Определяем площадь пола в помещении механического цеха

м².

По Приложению Н определяем среднее значение светового коэффициента для механического цеха. Работы в данном помещении относятся к категории точных, поэтому

Находим требуемую суммарную площадь окон в помещении механического цеха

м².

Далее по Приложению П выбираем размеры окон. Поскольку при расчете мы получили достаточно большую суммарную площадь окон, выбираем наибольший из возможных размеров окна 2100×1555 мм. Площадь одного окна

(м²).

По полученным значениям площади одного окна определим необходимое количество окон в данном помещении

Окончательно принимаем п = 40 окон.

Задача 2. Рассчитать методом КЕО естественное освещение механического цеха длиой l = 36 м, шириой b = 24 м и высотой h = 8 м. Коэффициент отражения света от стен r_ст = 0,40, от потолка r_пот = 0,70, от пола r_пол = 0,25. Расстояние до здания напротив L = 10 м, высота данного здания Н = 12 м.

Решение

Суммарную необходимую площадь окон будем определять по формуле (2.9). Для этого сначала определяем отношение длины помещения к его ширине

Далее находим приблизительную высоту верхнего края окон над уровнем рабочей плоскости

м.

Тогда отношение ширины помещения к высоте верхнего края окон над уровнем рабочей плоскости

Из Приложения Р по полученным значениям l/b и h/п₁ определяем коэффициент световой характеристики окна

η_в = 17,0.

Находим площади конструктивных элементов – стен, потолка и пола соответственно

Средневзвешенный коэффициент ρ_ср отражения потолка, пола и стен помещения определяется по формуле

Коэффициент r₁, учитывающий отражение света от конструктивных элементов помещения находят по табл. 2.1.

Таблица 2.1. Значение коэффициента r₁ при боковом освещении

Коэффициент отражения ρср	Значение r1 при освещении
одностороннем	двухстороннем
0,5	4	2,2
0,4	3	1,7
0,3	2	1,2

Точное значение коэффициента r₁ определяем с помощью линейной интерполяции

По Приложению З определяем минимальное значение КЕО для данного разряда зрительных работ

е_тіп = 1,2 %.

Окна в помещении выполняем двойными в алюминиевых рамах, по Приложению А находим их коэффициент светопропускания

τ_в = 0,4

для помешений с незначительным выделением пыли.

Определим степень затемнения данного помещения зданием, находящимся напротив. Для этого определим ориентировочную высоту размещения карниза здания, стоящего напротив, над подоконниками механического цеха, учитывая что для естественного освещения будут использованы окна размером 2100×1555 мм (согласно Приложения П)

(м).

Тогда отношение расстояния между зданиями к высоте размещения карниза напротив стоящего здания над подоконниками механического цеха

Определение коэффициента k, учитывающего степень затемнения окон зданиями, стоящими напротив, выполняется согласно табл. 2.2.

Таблица 2.2. К определению коэффициента k

Значение L/H1	0,5	1,0	1,5	2,0	3,0
Коэффициент k	1,7	1,4	1,2	1,1	1,0

Поскольку при расчете отношения L/Н₁ мы получили промежуточное значение, то величину коэффициента k мы будем находить с помощью линейной интерполяции

Определяем суммарную площадь окон при боковом освещении

м².

Площадь одного окна

(м²).

По полученному значению площади одного окна определим необходимое количество окон в данном помещении

Окончательно принимаем п = 53 окна.

Задания к самостоятельной работе № 2

Рассчитать по световому коэффициенту и коэффициенту естественной освещенности естественное освещение участка технического обслуживания автомобилей с размерами l, b и h = 8 м, если коэффициент отражения света от стен r_ст, от потолка r_пот, от пола r_пол, а расстояние до здания напротив L, высота данного здания Н. Сравнить полученные результаты, определив процент расхождения. Данные для расчета взять из табл. 2.3.

Таблица 2.3.

№	l, м	b, м	h, м	L, м	H, м	rcт	rпот	rпол
1	13	10	5	10,0	5	0,4	0,7	0,3
2	30	22	5	11,0	2,2	0,5	0,6	0,3
3	14	12	4	12,0	2,2	0,4	0,5	0,3
4	10	6	4	8,0	2,2	0,5	0,7	0,3
5	18	8	4	9,0	2,2	0,4	0,5	0,3
6	60	30	6	10,0	2,2	0,5	0,6	0,3
7	20	16	4	13,0	2,2	0,4	0,6	0,3
8	20	12	7	9,5	2,2	0,5	0,5	0,3
9	19	15	4	8,5	2,2	0,4	0,7	0,25
10	13	13	5	15	2,2	0,5	0,6	0,25
11	10	8,5	5	10,5	2,5	0,4	0,5	0,25
12	20	14	4	3,5	2,5	0,5	0,7	0,25
13	18	17	6	10,5	2,5	0,4	0,5	0,25
14	20	15	4	8,5	2,5	0,5	0,6	0,25
15	10	6,5	4	14	2,5	0,4	0,5	0,25
16	20	18	4	13	2,5	0,5	0,7	0,25
17	18	17	6	12	2,5	0,5	0,6	0,3
18	40	20	4	11	2,5	0,4	0,7	0,3
19	15	15	4	10	2,5	0,5	0,5	0,3
20	16	14	6	9	2,5	0,4	0,6	0,3
21	18	15	5	9	2,5	0,5	0,6	0,3
22	40	15	5	10	2,0	0,4	0,5	0,3
23	14	12	5	11	2,0	0,5	0,7	0,3
24	70	35	5	12	2,0	0,4	0,5	0,25
25	20	10	4	13	2,0	0,5	0,7	0,25
26	10	8	4	7	2,0	0,4	0,5	0,25
27	13	8	5	10	2,0	0,5	0,6	0,25
28	50	40	7	14	2,0	0,4	0,5	0,25
29	18	14	4	12	2,0	0,5	0,7	0,25
30	16	9	5	11	2,0	0,4	0,5	0,25

Практическое занятие № 2

ИССЛЕДОВАНИЕ И ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ЕСТЕСТВЕННОГО ОСВЕЩЕНИЯ РАБОЧИХ ПОМЕЩЕНИЙ

Цель работы: освоить методику оценки естественной освещенности рабочих мест, познакомиться с принципами расчета основных характеристик естественного освещения.

Приборы и инструменты: люксметр Ю 116 с насадками типов К, М, П и Т, рулетка.

Теоретическая часть

Освещение – получение, распределение и использование световой энергии для обеспечения нормальных условий труда. Освещение рабочих помещений должно соответствовать требованиям санитарных норм, быть равномерным и не вызывать ослепления работников. Оптимальным является такое освещение, при котором усталость органов зрения минимальна.

Качественно реализованное освещение повышает производительность труда, создает хороший психологический тонус, хорошее самочувствие и позитивный настрой, предотвращает общую усталость организма, хорошо влияет на обмен веществ и сердечно-сосудистую систему, уменьшает вероятность получения производственной травмы.

В данной лабораторной работе естественная освещенность измеряется люксметром Ю 116, который состоит из селенового фотоэлемента 1 с насадками 2 и электрического измерительного прибора 3, проградуированного в единицах освещенности (рис. 1).

Рис. 1 – Конструкция люксметра Ю 116

Принцип действия люксметра основан на преобразовании светового потока в электрический ток. При освещении светом селенового фотоэлемента в нем происходит преобразование световой энергии в электрическую. Образовавшийся ток регистрируется гальванометром 3, проградуированным в единицах освещенности. Данный прибор имеет корректор для установки стрелки на нулевую отметку перед началом измерения.

Фотоэлемент – прибор, в котором электродвижущая сила (ЭДС) возникает под действием света. При освещении полупроводника (если энергия фотонов больше ширины запирающей зоны) в нем образуются пары электрон-дырка, которые под действием электрического поля р-п перехода разделяются, создавая при этом ток в цепи фотоэлемента.

При изготовлении фотоэлемента сначала из металлической пластины толщины 1…2 мм штампуют круглую подложку 6 (рис. 2).

Рис. 2 – Структура фотоэлемента

На подложку методами вакуумного напыления наносят слой полупроводника 5 толщиной не более 0,1 мм, после чего его предают термообработке с целью образования р-п перехода. Верхний металлический электрод 2 делают полупрозрачным, чтобы сквозь него в полупроводник проходил свет. Между верхним электродом и слоем полупроводника образуется запирающий слой 4. Селеновый фотоэлемент люксметра Ю 116 смонтирован в пластмассовом корпусе, для подключения фотоэлемента к измерительному прибору используются выводные зажимы 7.

Для уменьшения погрешности измерений освещенности люксметром используется рассеивающая свет насадка К на фотоэлемент, выполненная в виде полусферы из белой пластмассы. Эта насадка используется только вместе с насадками М, П и Т, образуя при этом поглотители света с общим номинальным коэффициентом ослабления 10 (КМ), 100 (КП) или 1000 (КТ). Тем самым на три порядка расширяется диапазон измерений люксметра.

Фотоэлементы являются новым перспективным классом электронных полупроводниковых приборов. Кроме селеновых широкое распространение получили сернистосеребряные, силициевые и германиевые фотоэлементы. Главным их преимуществом является возможность непосредственного преобразования световой энергии в электрическую. Такие фотоэлементы на данный момент имеют КПД в пределах 11…15%, по теоретическим расчетам реальным является его увеличение до 22…25%. Уже сейчас батареи из таких фотоэлементов используются на искусственных спутниках и космических кораблях в качестве источника питания, в радиотехнике и радиоэлектронике они почти полностью вытеснили вакуумные лампы.

Порядок выполнения работы

1. Детально ознакомиться с конструкцией и принципом действия люксметра.

2. Установить на фотоэлемент насадки К и Т, после чего определить естественную освещенность под открытым небом в месте, указанном преподавателем. Так как прибор настроен на свет ламп накаливания, полученные результаты освещенности следует умножить на поправочный коэффициент k = 0,8

3. Снять с фотоэлемента насадку и измерить освещенность внутри исследуемого помещения непосредственно у окна Е₁, через каждый метр от него до внешней стены Е_і и в наиболее удаленном месте Е_n. В случае, если освещенность помещения превышает 100 лк, установить на фотоэлемент насадки К и М.

4. По данным измерений построить график зависимости естественной освещенности аудитории как функции расстояния до окон Е_і = Е (х).

5. Определить коэффициент естественной освещенности по формуле (2.6) для каждого из мест измерения.

6. По данным расчетов построить график зависимости КЕО как функцию расстояния до окон е_і = е (х).

7. Определить среднее значение коэффициента естественной освещенности в исследуемом помещении по формуле 2.10.

8. Вычислить значение светового коэффициента по формуле 2.7.

9. По формуле 2.8 определить угол освещенности.

10. Результаты измерений и расчетов занести в табл. 2.1.

Таблица 2.1. Результаты измерений и расчетов

Енаруж, лк	Е1, лк	…	Еп, лк	е1, %	…	еп, %	еср, %	Кс	α

11. Сделать вывод относительно соответствия данного помещения нормам освещенности по значению КЕО, угла освещенности и светового коэффициента.

Вопросы для самоконтроля

1. Какая величина называется освещенностью?

2. Что является источником естественного освещения?

3. Раскройте физическую природу света?

4. Какие физические характеристики света существуют?

5. В чем заключается физический смысл функции видимости?

6. Приведите классификацию типов естественного освещения?

7. Назовите особенности освещения рабочих помещений естественным светом?

8. Какие существуют виды расчета естественного освещения?

9. Назовите нормативные величины освещенности рабочих мест.

10. Опишите конструкцию и принцип действия люксметра.