3.4. Естественное освещение зданий

Использование естественного дневного света для освещения помещений и рабочих мест зданий является одним из важнейших факторов улучшения санитарно-гигиенических условий проживания и жизнедеятельности людей. Степень и равномерность освещения помещений зависит главным образом от формы, размеров и расположения световых проемов.

В небольших помещениях гражданских зданий площадь светопроемов определяется как некоторая часть площади пола. Так, для жилых помещений площадь окон в зависимости от климатических условий должна быть не менее 1/8 - 1/10 площади пола. Такой метод, называемый геометрическим, не является совершенным, так как дает удовлетворительные результаты только для помещений небольших площадей. Кроме того, при таком определении площади световых проемов сравнить освещенность в той или иной точке помещения не представляется возможным, так как она не учитывает закон распределения ее в помещении.

Более совершенным методом определения освещенности является светотехнический метод, который учитывает интенсивность освещения, позволяет обеспечить необходимые уровни освещения в различных точках освещения, так как базируется на нормативных показателях освещенности.

Светотехнический метод используется при определении освещенности в больших помещениях жилых, общественных и производственных зданий. При проектировании естественного освещения светотехническим методом оптимальными размерами световых проемов можно учитывать не только санитарно-гигиенические требования, но и экономические, так как всякое увеличение площади световых проемов приводит к увеличению эксплуатационных расходов, связанных с дополнительными теплопотерями через световые проемы, их ремонт и очистку от пыли. Кроме того, при значительных площадях остекления появляется опасность перегрева помещений в летнее время.

В связи с тем, что практически не представляется установить минимальные значения освещенности внутри помещения в люксах, из-за непостоянства природных условий освещения под открытым небом, освещенность в помещениях выражают не в абсолютных, а в относительных единицах в виде коэффициента естественной освещенности (КЕО).

Коэффициент естественной освещенности обозначается буквой и выражает отношение естественной освещенности, создаваемой в некоторой точке внутри помещения (М) видимым участком небосвода через световой проем, к значению наружной горизонтальной освещенности , создаваемой в это же время светом всего небосвода. КЕО выражают в процентах.

Математически КЕО выражается формулой

= (3.14)

где - освещенность в точке внутри помещения, лк;

- освещенность под открытым небосводом в тот же момент времени, лк.

Измерение освещенности под открытым небосводом производят обычно на крыше здания, так как представляет собой освещенность, создаваемую диффузным (рассеянным) светом всей полусферы небосвода. Участие прямого солнечного света в определении и исключается.

В основу расчетов естественного освещения в светотехнике положены два физических закона:

- закон проекции телесного угла;

- закон светотехнического подобия.

Закон проекции телесного угла показывает, что освещенность Е_М в какой-либо точке поверхности помещения, создаваемая равномерно светящейся поверхностью неба, прямо пропорциональна яркости неба L и площади проекции на освещаемую поверхность телесного угла, под которым из данной точки виден участок неба (рис. 3.7).

Для пояснения вывода закона проекции телесного угла приняты следующие допущения:

- освещаемая поверхность располагается в помещении горизонтально;

- радиус полусферы R принимается равным единице;

- яркость неба во всех точках одинакова;

- не учитываются влияние отраженного света и остекление светопроема.

Для доказательства закона телесного угла из точки проведем полусферу с радиусом 1. Яркость полусферы обозначим через . На полусфере выделим весьма малый участок полусферы , который можно принять за точечный источник света.

Рис. 3.7. Схема к закону телесного угла

– участок неба видимый из точки ; – небосвод; – линия горизонта; – зенит;

– центр небосвода, совмещенный с исследуемой точкой ; – яркость небосвода, кд/м²;

– площадь проекции участка неба, освещающего точку .

Определим освещенность в точке , создаваемую в помещении через окно участком полусферы S , выражая в ней силу света через яркость согласно формуле (3.5):

= . (3.15)

Но = , то есть площади проекции участка неба на освещаемую поверхность. Таким образом, закон проекции телесного угла выражается формулой

= . (3.16)

Освещенной в какой-либо точке помещения равна произведению яркости участка неба, видимого из данной точки через светопроем, на проекцию этого участка неба на освещаемую поверхность.

В случае, когда точка находится не в помещении, а на открытом месте и освещается всей полусферой небосвода с равномерно распределенной яркостью, тогда

= , (3.17)

где - площадь полусферы небосвода на горизонтальную поверхность, но = 1, следовательно,

= (3.18)

Пользуясь формулой (3.14), определим значение коэффициента естественной освещенности в точке М

= (3.19)

т.е. коэффициент естественной освещенности в какой-либо точке горизонтальной поверхности определяется отношением проекции на освещаемую поверхность видимого из данной точки помещения участка небосвода к величине  (равной 3,4). Это отношение представляет собой геометрическое выражение КЕО. Оно отличается от КЕО тем, что не учитывает влияние остекления и внутренней отделки помещения, а также неравномерной яркости небосвода.

Практическое значение этого закона заключается в том, что на его основе можно определить относительную световую активность различных светопроемов или одного светопроема, но различно расположенного относительно рабочей поверхности (РП)

(рис. 3.8).

Рис. 3.8. Определение относительной световой активности светопроемов с помощью

закона проекции телесного угла при расположении точки на горизонтальной (а) и вертикальной (б) плоскости

Для доказательства закона светотехнического подобия в центре круга с радиусом =1 обозначим точку , из которой проведем телесный угол таким образом, чтобы его граничные стороны проходили через края оконных проемов (в плане) двух зданий. Проведем через точку секущую плоскость 1-1 и изобразим разрез 1-1 (рис. 3.9).

Освещенность в точке двух помещений создается через оконные проемы, обладающие яркостью и , за счет применения различных видов стекла.

На разрезе 1-1 видно, что при различных размерах светопроемов (1 и П) освещенность в точке создается одним и тем же телесным углом, вершина которого находится в точке . Таким образом, на основании закона проекции телесного угла, освещенность в точке остается постоянной при условии, если = = Lн = const, и не зависит от размеров световых проемов.

Рис. 3.9 Схемы к закону светотехнического подобия. Модели помещения в масштабе 1:10 (а) и 1:20 (б) на разрезе 1-1 и плане – условный небосвод.

Практическое значение этого закона заключается в том, что освещенность внутри помещений можно оценивать на моделях, выполненных в масштабе не менее чем 1/20, при соблюдении всех геометрических и светотехнических (отделка) параметров интерьера. Эти работы выполняются на специальных установках, называемых искусственным небосводом.