Природне освітлення будівель

Облік природного освітлення при проектуванні будинків і забудови має велике значення. Це особливо важливо при проектуванні промислових будівель, де светопроеми мають велику площу скління, через яке взимку йде тепло, а влітку надходить велика кількість тепла від сонця. На заповнення тепловтрат і ліквідацію теплопоступлений потрібні значні додаткові витрати енергії. У той же час недостатня площа скління призводить до великих витрат енергії на штучне освітлення. Тому площа скління повинна бути не більше і не менше, ніж це необхідно. Існують норми СНиП 23-05-2003 * "Природне і штучне освітлення", які містять нормативні вказівки по влаштуванню природного освітлення будівель, а також Звід правил СП 23-102-2003 "Природне освітлення житлових і громадських будівель", де містяться дані і методики за розрахунками природного освітлення.

У житловому і цивільному будівництві основною і дуже важливою задачею є перевірка дотримання норм природного освітлення при затіненні житлових будівель, шкільних і дитячих дошкільних установ протистоїть забудовою.

Освітлення буває природне, штучне і суміщене. Джерелами природного світла є сонце і пряме світло небозводу. Джерелами штучного світла в даний час є електричні лампи. При суміщеному освітленні приміщення освітлюється одночасно природним і штучним світлом у певних співвідношеннях.

Основною вимогою до природного освітлення в житлових, громадських і промислових будівлях є забезпечення найкращого освітлення робочого місця або об'єкта, який сприймається людиною при спостереженні. При цьому мають значення не тільки умови видимості об'єкта, а й "поле адаптації" - навколишнє світлова середу, яка дуже важлива, особливо в житлових, шкільних будинках, а також у дитячих садках і яслах. Природне освітлення має дуже великий вплив на самопочуття людини, її психофізичний стан і на продуктивність праці. Крім того, природне освітлення економить велику кількість енергії, що витрачається на електричне освітлення.

Будь-яке світить тіло випромінює світловий потік, що є частиною променистого потоку в діапазоні довжин хвиль електромагнітних коливань від 100 нанометрів (нм) - ультрафіолетова частина спектра до 780 нм - інфрачервона частину спектру. Одиниця світлового потоку Ф - люмен (лм). Відношення світлового потоку до площі F (м2), на яку він падає, називається освітленістю:

Одиницею освітленості є люкс. Однак якщо вимірювати природну освітленість приміщення в люксах, це означає, що треба здаватися фіксованою величиною зовнішньої природної освітленості. Але так як вона постійно змінюється в залежності від хмарності, часу дня і пори року, на практиці це незручно. Тому в будівельній світлотехніці застосовується відносна величина, звана коефіцієнтом природної освітленості (КПО).

КПО (е) є відношення природної освітленості в якій-небудь точці всередині приміщення в) до одночасної освітленості зовні на відкритій горизонтальній площадці н), виражене у відсотках:

Розрахунок КПО заснований на допущенні про похмурому небосхилі, покритому рівномірної (10-бальною) хмарністю. Це стандарт Міжнародної комісії з освітлення (МКО), встановлений на основі досліджень яскравості похмурого неба американськими вченими П. Муном і Д. Спенсер. Вони встановили, що яскравість похмурого неба змінюється тільки по кутовий висоті точки на небосхилі. На одній і тій же кутовий висоті θ яскравість неба у всіх точках L θ постійна:

Тут L z - яскравість неба в зеніті.

На рис. 15.12 надана схема проходження світла в приміщення з бічними светопроемами (вікнами).

Схема проходження світла в приміщення з боковим світлопрорізах

Рис. 15.12. Схема проходження світла в приміщення з боковим світлопрорізах

Основна частина світла проходить в розрахункову точку М від прямого світла небосхилу. Ця частина світлового потоку визначається складової КПО н). При наявності протиборчих будинків інша частина світлового потоку, що приходить в точку М, є відбитої від протистоїть будинку. Вона визначається залишає КПО від протиборчих будинків (езд). Частина світла відбивається від прилеглої поверхні землі, галереї, балкона. Ця частина потрапляє на стелю і у верхню зону стін приміщення, і звідти вона відображається в розрахункову точку М. Вона визначається складової КПО від прилеглої поверхні (єп). Весь світловий потік, падаючий на поверхню вікна, послаблюється склінням, палітурками, забрудненням, затіненням балконами і соліцезащітой. Минулий світловий потік потрапляє на підлогу і нижню частину стін, відбивається від них на стелю і верхню частину стін і звідти - на робочу поверхню в точку М. Ця частина світлового потоку утворює внутрішню відображену складову КПО о), яка при світлій обробці може значно збільшити величину КПО, особливо в глибині приміщення. Таким чином, КПО визначається як сума перерахованих складових:

(15.11)

(15.12)

На рис. 15.13 представлена схема проходження світла в приміщення через ліхтар системи верхнього природного світла. Тут мають місце ті ж складові КПО за винятком е зл, а в якості прилеглої поверхні служить поверхня покрівлі.

Схема проходження світла в приміщення з верхнім світлопрорізах

Рис. 15.13. Схема проходження світла в приміщення з верхнім світлопрорізах

Формула для розрахунку КПО в приміщеннях з бічними светопроемами запропонована діючими нормами СНіПа "Природне і штучне освітлення":

(15.13)

Тут, де - геометричний КПО, що враховує

тілесний кут, під яким із светопроемов видний ділянку неба; q - коефіцієнт, що враховує нерівномірну яскравість похмурого неба (стандарту МКО):

де і - відповідно яскравість неба під кутом до горизонту і в зеніті відповідно освітленості під відкритим равнояркім небом і небом стандарту МКО. Використовуючи закон Муна і Спенсер (15.35), маємо

Далі,, де - геометричний КПО, що враховує тілесний кут, під яким видно конфронтуюче будівля з розрахункової точки; - коефіцієнт, що враховує яскравість фасаду протистоїть будинку; - коефіцієнт, що враховує те, що від протистоїть будинку відбите світло може потрапляти не тільки у верхню зону приміщення (стелю і верхню частину стін), але і в його нижню частину (на нижню частину стін і навіть на підлогу); - коефіцієнт світлопропускання вікна; - коефіцієнт запасу, враховує забруднення скління; - коефіцієнт, що враховує вплив відбитого світла всередині приміщення.

Всі коефіцієнти у формулі (15.13) є емпіричними, хоча і мають фізичний сенс. Вони визначаються за таблицями в СП 23-102-2003. Виняток становлять геометричні коефіцієнти природного освітлення, які визначаються за графіками А. М. Данилюка (див. Нижче) або за аналітичними формулами. Розрахунок геометричних КПО заснований на двох законах будівельної світлотехніки.

Закон проекції тілесного кута. Освітленість Е м в якій-небудь точці приміщення (М), створювана равнояркой, сферичною поверхнею небосхилу, прямо пропорційна яскравості ділянки цієї поверхні і площі проекції тілесного кута, під яким видно цю ділянку через светопроем (рис. 15.14):

Схема до закону проекції тілесного кута

Рис. 15.14. Схема до закону проекції тілесного кута

Наслідок 1. Поняття про геометричному КПО.

Освітленість під відкритим небом за законом проекції тілесного кута дорівнює

Тут - проекція півсфери на горизонтальну площину. При. Згідно з визначенням КПО (15.11)

Це відношення пояснює геометричну сутність КПО і називається геометричним коефіцієнтом природної освітленості.

Наслідок 2. Поняття про светоактівності отвору.

На рис. 15.15 показано приміщення з двома однаковими за площею светопроемами, розташованими на одній відстані від розрахункової точки М, але на різній висоті над нею і в різному розташованих огороджувальних конструкціях по відношенню до розрахункової поверхні. З рис. 15.15 очевидно, що σ2> σ1, отже, освітленість, створювана світлопрорізах в стелі на горизонтальній площині, набагато більше, ніж освітленість від светопроемов в стіні. Отже, для горизонтальної робочої поверхні вірно, що чим вище розташований светопроем над розрахунковою крапкою й чим ближче його орієнтація до зеніту, тим вище його светоактівность. При розташуванні розрахункової точки у вертикальній площині навпаки: светоактівность вікна в стіні може бути вище, ніж светоактівность светопроемов в стелі.

Закон світлотехнічного подоби. Освітленість в якій-небудь точці приміщення залежить не від абсолютних, а від відносних розмірів приміщення.

Схеми до поняття про відносну світловий активності светопроемов за допомогою закону проекції тілесного кута при розташуванні точки на горизонтальній (а) і у вертикальній (б) площині

Рис. 15.15. Схеми до поняття про відносну світловий активності светопроемов за допомогою закону проекції тілесного кута при розташуванні точки на горизонтальній (а) і у вертикальній (б) площині

Сутність цього закону показана на рис. 15.16. Проекція тілесного кута в обох подібних один одному, але різних за розміром приміщеннях однакова. Отже, відповідно до закону проекції тілесного кута освітленість в обох приміщеннях однакова.

Схема до закону світлотехнічного подоби

Рис. 15.16. Схема до закону світлотехнічного подоби

Наслідок 1. Результати вимірювань освітленості в моделях приміщень в основному відповідають результатам вимірювань освітленості в реальних приміщеннях. Використання цього закону дозволяє моделювати небосхил і вимірювати під штучним небозводом освітленість в моделях приміщень.

Розрахунок геометричного КПО може здійснюватися за графіками А. М. Данилюка (рис. 15.17). Це метод добре підходить для практичних розрахунків, оскільки дозволяє використовувати в розрахунках основні будівельні креслення - розрізи і плани приміщень.

На графік 1 накладається розріз приміщення так, щоб розрахункова точка збіглася з полюсом графіка. Підраховується кількість променів, що проходять через вікно в розрахункову точку ().

Слід мати на увазі, що нижній промінь розбитий пунктирними лініями на десяті частки. Відзначається номер півкола, що проходить через центр светопроемов.

На графік II накладається план приміщення (при розрахунках светопроемов в покрівлі - поздовжній розріз приміщення) таким чином, щоб центральна лінія светопроемов на плані збіглася з горизонталлю, помер якої збігається з номером півкола на розрізі. Підраховується кількість променів, що проходять через светопроем.

Величина геометричного КПО визначається за формулою

креслень не має значення. Однак ясно, що на графіки № 1 і № 2 слід накладати розрізи і плани приміщень, виконані в одному масштабі

Масштаб креслень не має значення. Однак ясно, що на графіки № 1 і № 2 слід накладати розрізи і плани приміщень, виконані в одному масштабі.

Величини n 1 і n 2 можуть бути розраховані за формулами, який заміняє графіки А. М. Данилюка:

Розрахункова схема з позначеннями кутів представлена на рис. 15.18. При цьому слід враховувати, що і де взяті з плану приміщення, а - це кут перевищення центру вікна над розрахунковою точкою.

Нормовані значення КПО наведені в СНиП "Природне і штучне освітлення". Проте в різних районах Росії різний світловий клімат. Тому в нормах адміністративні райони Росії об'єднали в групи з приблизно однаковим світловим кліматом. Для кожної групи і для різних орієнтацій светопроемов у СНіП наведено коефіцієнти світлового клімату (т), на які треба помножити коефіцієнти енорм. Це і будуть нормовані значення КПО.

Графіки А. М. Данилюка і приклади їх використання в розрахунках геометричного КПО

Рис .. 15.17. Графіки А. М. Данилюка і приклади їх використання в розрахунках геометричного КПО

Схема кутів до розрахунку геометричних КПО

Рис. 15.18. Схема кутів до розрахунку геометричних КПО

При проектуванні або перевірці природного освітлення будівель необхідно, щоб нормовані значення КПО були менше або дорівнюють розрахунковим значенням КПО в точках, зазначених у СНіП:

Для розрахунку КПО при верхньому природному освітленні можна користуватися формулою, запропонованої у СНіП:

(15.14)

Тут перший доданок - складова від прямого світла неба. Другий доданок - це внутрішня відображена складова, що враховує також відбите світло від прилеглих ділянок покрівлі на площині ліхтарів. Це враховує коефіцієнт К ф. Коефіцієнт r 2 враховує внутрішній відбите світло. Решта коефіцієнти - такі ж, як і у формулі (15.13).

Розраховуються значення КПО при верхньому природному освітленні зазвичай не менше ніж у п'яти точках на проліт будівлі, після чого розраховується середнє значення КПО і порівнюється з нормованим значенням при верхньому освітленні, наведеним у СНиП. Воно зазвичай приблизно в три рази більше, ніж при бічному освітленні.

Проектування систем природного освітлення полягає в тому, що спочатку вибирають площі і типи светопроемов. Для цього використовують формули і графіки, наведені в СП 23-102-2003. Методика докладно викладена в підручнику "Фізика середовища" [3]. Потім розміщують светопроеми в огороджувальних конструкціях. Після цього проводять перевірочний розрахунок КПО за формулами (15.13) і (15.14) і порівнюють розрахункові значення КПО з нормованими.

 
< Попер   ЗМІСТ   Наст >