Лекция 3 светология

Лекция 3

Основные расчеты КЕО; световой климат и диффузный свет неба.

Требования к естественному освещению жилых зданий в зависимости от назначения помещения изложены в СП Естественное и искусственное освещение. При одностороннем боковом освещении в жилых зданиях нормируемое значение КЕО должно быть обеспечено в расчетной точке, расположенной на пересечении вертикальной плоскости характерного разреза помещения и плоскости пола на расстоянии 1 м от стены, наиболее удаленной от световых проемов: в одной комнате для 1-, 2- и 3-комнатных квартир и в двух комнатах для 4- и более комнатных квартир. В остальных комнатах многокомнатных квартир и в кухне нормируемое значение КЕО при боковом освещении должно обеспечиваться в расчетной точке, расположенной в центре помещения на плоскости пола.

При одностороннем боковом освещении жилых комнат общежитий, гостиных и номеров гостиниц нормируемое значение КЕО должно быть обеспечено в расчетной точке, расположенной на пересечении вертикальной плоскости характерного разреза помещения и плоскости пола в геометрическом центре помещения.

Требования к естественному освещению общественных зданий. Требования к естественному освещению общественных зданий в зависимости от назначения помещений изложены в табл. 2 СП Естественное и искусственное овещение. При одностороннем боковом освещении в помещениях детских дошкольных учреждений нормируемое значение КЕО должно быть обеспечено:

а) в групповых и игровых помещениях - в расчетной точке, расположенной на пересечении вертикальной плоскости характерного разреза помещения и плоскости пола на расстоянии 1 м от стены, наиболее удаленной от световых проемов;

б) в остальных помещениях – в расчетной точке, расположенной в геометрическом центре помещения на рабочей поверхности (РП).

Рис. 4 – Системы освещения и нормируемые значения КЕО

а- боковое освещение, одностороннее (слева) и двустороннее (справа);

б- верхнее освещение, П-образный (слева), шедовый (справа) и зенитный

(слева внизу) фонари;

в- комбинированное (боковое плюс верхнее) освещение;

РП – рабочая поверхность (пол);

УРП – условная рабочая поверхность;

еp

б – КЕО расчетный при боковом свете;

еp

в, еp

к – КЕО расчетный и еp

ср – КЕО средний при верхнем и

комбинированном свете; ен – КЕО нормативный.

Расчет естественного освещения помещения может вестись по трем видам расчёта:

1. Нормируемое значение КЕО по нормам и сводам правил (СП и СНиП) учётом района.

2. Предварительный расчет по графикам зависимости площади окон к площади помещения.

3. Проверочный расчет, основанный на графиках А.М. Данилюка с наложением на них разреза и плана контрольного помещения.

1. Для нормируемого расчета КЕО освещение определяется произведением по формуле:

e N = e H . m N , (3)

где

e H – нормируемое значение КЕО для помещений по таблицам 1 и 2 СП 52 13330 2011;

m N - коэффициент светового климата по таблице 4 СП 52 13330 2011;

N – номер группы обеспеченности естественным светом района (по приложению Е)

Коэффициент m показывает, во сколько раз следует изменить нормируемое значение eH для данной группы административных районов в зависимости от годового количества естественного освещения (лк · ч.).

Нормируемые значения КЕО в помещении выбираются в зависимости от сложности зрительной работы (которая в производственных, а также жилых и общественных помещениях классифицируется на разряды по величине 32 объекта различения от работы наивысшей точности с деталями менее 0,15 мм до грубой с объектами более 5 мм – табл. 1 ); для помещений жилых и общественных зданий в зависимости от функционального назначения помещения (табл. 2)

Совокупность ресурсов природной световой энергии, характерная для того или иного района, получила название светового климата данного района. На территории нашей страны световой климат изменяется в широких пределах как по широте, так и по долготе.

Основные компоненты естественной освещенности на открытой местности – прямой солнечный свет Ес, расчетный (диффузный) свет неба Ен и отраженный от земли свет Ез.

Суммарная (общая) освещенность Ео в ясный день при полностью открытом горизонте

Ео = Ес + Ен + Ез. ( 21 )

Солнечное излучение, падающее на землю, претерпевает изменения вследствие его отражения, рассеяния и поглощения атмосферой и подстилающим слоем земной поверхности.

Средняя освещенность поверхности, перпендикулярной лучам Солнца, определяется по таблице в зависимости от географической широты и часа дня для характерных дней года (см. Л-1 . стр.88- Архитектурная физика :Учеб. Для вузов:Спец. «Архитектура» /В.К.Лицкевич, Л.И.Макриенко, И.В.Мигалина и др.; Под ред. Н.В.Оболенского. –М.:Стройиздат, 1997. – 448 с.: ил).

Продолжительность солнечного сияния в разных пунктах на территории страны определяется по картам климатических атласов, которые составляются в результате обобщения многолетних измерений, проведенных метеорологическими станциями.

На основании результатов расчетов, проведенных в крупных городах и промышленных районов, построена карта светоклиматического районирования нашей страны. Критерием при её составлении было принято среднее за год количество наружного диффузного освещения (средняя освещенность) на горизонтальной поверхности при открытом небосводе в течение 1 ч за период использования в помещении естественного света.

Действующее в настоящее время светоклиматическое районирование территории СНГ (рис.13) основано на данных многолетних актинометрических измерений. При составлении карты светового климата вероятность ясного неба учитывалась лишь косвенно, так как основным критерием при проведении границ светоклиматических районов было количество освещения в час в среднем за период использования освещения (5000 лк и выше).

Территория на рис.11 делится на пять светоклиматически районов; три северных района разделены на подрайоны восточный и западный. Для восточных подрайонов характерно длительное (6 месяцев и более в течение года) залегание снежного покрова, оказывающее влияние на распределение яркости неба (заштриховано).

Рис. 13 Карта светоклиматического районирования страны

На карте светоклиматического районирования приводятся значения коэффициентов светового климата m, которое и пользуется при расчетах КЕО и определялись как отношение средней освещенности а Москве Еср^М к средней освещенности в данном районе Еср. Средняя освещеность в Москве служила эталоном (значение для Москвы принято равным единице), т.е.

m= Еср^М / Еср. ( 26 )

2. Предварительный расчет размеров световых проемов при боковом освещении без учета противостоящих зданий следует проводить с применением графиков, приведенных для помещений жилых зданий на рис. 12,

Рис 12 - График для определения относительной площади световых проемов

Ас.о/Ап при боковом освещении жилых помещений

Расчет следует производить в следующей последовательности:

а) в зависимости от разряда зрительной работы или назначения помещения и группы административных районов по ресурсам светового климата РФ по табл. 1-4 или по и формуле (3) определяют нормированное значение КЕО для рассматриваемого помещения;

б) на поперечном разрезе определяют глубину помещения dп, высоту верхней грани световых проемов над уровнем условной рабочей поверхности h01 и отношение dп/h01;

в) на оси абсцисс графика (рис. 22, 23 или 24) определяют точку, соответствующую определенному значению dп/h01*, через найденную точку проводят вертикальную линию до пересечения с кривой, соответствующей нормированному значению КЕО. По ординате точки пересечения определяют значение Ас.о/Ап (см. рис. 24);

г) разделив найденное значение Ас.о/Ап на 100 и умножив на площадь пола, находят площадь световых проемов Ас.о в м2.

3. В основу проверочного расчета и моделирования естественного освещения помещений положены два закона.

Первый закон - закон проекции телесного угла. Он говорит, что освещенность Ем в какой-либо точке поверхности помещения, создаваемая равномерно светящейся поверхностью неба, прямо пропорциональна яркости неба L и обратно пропорциональна проекции σ телесного угла, в пределах которого из данной точки виден участок неба, на освещаемую рабочую поверхность.

При этом приняты допущения:

1. яркость неба во всех точках одинакова;

2. не учитывается влияние отраженного света;

3. не учитывается остекление светопроемов.

Графический закон иллюстрируется следующим построением: проведем из точки М полусферу небосвода радиусом, равным единице, и обозначим яркость неба через L (рис. 8 ). Определим освещенность в точке М, создаваемую в помещении через окно участком полусферы Ѕ, который можно принять за точечный источник света, по формуле . Выражая в ней силу света I участка неба Ѕ через яркость L согласно формуле ( 8 ) получим

Ем = L Ѕ соsα. ( 17 )

Рис. 8 ­- Графическая модель небосвода.

Схема к закону проекции телесного угла (аксонометрия и разрез)

Условное допущение: 1 = 2 = 3 =со

 - участок неба, видимый из точки М;  - небосвод;  - площадь проекции участка неба, освещающего точку М, на рабочую поверхность (РП); ЛГ – линия горизонта; ⁰ – угловая высота середины светопроема С над горизонтом; О – центр небосвода, совмещенный с исследуемой точкой М;  - яркость небосвода, кд/м²

Но Ѕ соsα = σ, т.е. площади проекции участка неба Ѕ на освещаемую поверхность.

Таким образом, закон проекции телесного угла выражается формулой

Ем = L σ, ( 18 )

т.е. освещенность в какой-либо точке помещения равна произведению яркости участка неба, видимого из данной точки через светопроем, на проекцию этого участка неба на освещенную поверхность.

Представим теперь, что точка находится на открытой горизонтальной поверхности и освещается всей равномерной яркой полусферой. В этом случае

Ен = L π R², ( 19 )

где π R² - площадь полусферы на горизонтальную поверхность.

Но R = 1, следовательно, Ен = L π. Отсюда

εм = L σ / L π = σ / π, ( 20 )

т.е. значение КЕО в какой-либо точке поверхности определяется отношением проекции видимого из данной точки помещения участка неба на освещаемую поверхность к величине π. Это отношение представляет собой геометрическое выражение коэффициента естественной освещенности – геометрическое КЕО.

Практическое значение этого закона очень велико: пользуясь им, можно определить относительную световую активность различных светопроемов или сравнивать освещенности, создаваемые одним и тем же проемом, расположенным различно относительно рабочей плоскости (рис.9), а также определять светотеневой рисунок на объемных объектах и деталях под открытым небосводом в пасмурный день.

На основе этого закона разработаны графические способы расчета естественного освещения (в частности, графики Данилюка), получившие широкое распространение в нашей и мировой проектной практике.

Второй закон – закон светотехнического подобия (рис. 10). Освещенность в точке М помещения создается через окна, обладающие яркостью L1 и L2. Различная яркость может создаваться, например, применением различных сортов стекла (прозрачного, молочного, контрастного, матированного и т.д.). Однако при различных размерах окон (I и II), но с одинаковым остеклением, освещенность в точке М создается одним и тем же телесным углом с вершиной в этой точке.

Рис.10 - Схема к закону светотехнического подобия. Модели помещения в масштабе 1:10 (а) и 1:20 (б) на разрезе 1-1 и плане.  - условный небосвод

Из закона проекции телесного угла следует, что освещенность в точке М остается постоянной при условии, если L1 = L2 = Ln = const. Следовательно, освещенность в какой – либо точке помещения зависит не от абсолютных, а от относительных размеров помещения.

Большое практическое значение этого закона заключается в том, что он позволяет решать задачи естественного освещения, т.е. оценивать условия освещения помещения на моделях. Для этого изготавливаются модели в масштабе не менее чем 1:20. При этом тщательно соблюдаются все геометрические и светотехнические параметры (отделка, пропорции, детали и др.) интерьера.

Существенную роль при решении таких архитектурных задач, как выбор объемной композиции, пластики фасада, ритма членений, а также фактуры отделочных материалов, играет контрастность естественного освещения, которая учитывается в динамике в течение дня и сезонов года.

Контрастность освещения имеет место и при диффузном освещении облачным небом; в этом случае она определяется повышенной яркостью зенитной части неба по сравнению с частью неба, прилегающей к горизонту. Отсутствие контрастности можно наблюдать в пасмурные зимние дни, когда яркость облачного неба делается равной или кажется меньше яркости снежного покрова. Наблюдениями установлено, что наибольшая контрастность освещения наблюдается летом в южных районах (Средняя Азия, Армения и т.п.), а наименьшая – зимой в северных районах (Крайний Север, Заполярье).

Суточный ход контрастности естественного освещения по среднемесячным данным в западной части III, IV, V районов характеризуется максимальными значениями утром и минимальными - вечером. Это объясняется в основном уменьшением прозрачности воздуха.

Коэффициент контраста светотени колеблется в летнее полугодие:

- в южных районах - 0,7 – 0,8

- в центральных - 0,5 – 0,6

- в северных - 0,3 – 0,4.

При составлении карты светового климата вероятность ясного неба учитывалась лишь косвенно (см. выше). Однако в южных районах Украины, на Кавказе, в Средней Азии и Казахстане, на юге Западной и Восточной Сибири и на значительной части территории Дальнего Востока более 50% времени в году преобладает ясное небо и солнечная погода.

С одной стороны, на значительной территории Севера и средней полосы, для которой по СНиП производятся расчеты с учетом прямого солнечного света, происходит неоправданное сокращение площади остекления и занижение уровня освещенности помещений в осенне-зимний период, когда в течение шести месяцев преобладает пасмурное небо. С другой стороны, в южных и дальневосточных районах площадь остекления значительно превышает необходимую.

Таким образом, очевидно, что при определении границ преобладания ясного неба для нормирования и расчета освещенности в помещениях с учетом инсоляции следует исходить не из средней годовой вероятности солнечного сияния, а принимать за критерий среднюю вероятность солнечного сияния за период с октября по март. Это повысит надежность обеспечения помещений требуемым количеством освещения и упорядочит выбор площади остекления светопроемов в указанных районах.

Как уже отмечалось ранее, большое влияние на наружную освещенность и ультрафиолетовую облученность оказывает состояние подстилающего слоя земли. По данным Актинометрического института в Павловске, снеговой покров при сплошной облачности увеличивает наружную освещенность на 100% и более.