СпецкурсПГС

Рис. 13. Применение призматического стекла для освещения подвала

Рис. 15. Применение стеклоблоков для увеличения освещенности на потолке помещения

30

Рис.14. Схема преломления лучей призматическим стеклом

Рис. 16. Схема преломления лучей стеклоблоками с призматическим рифле нием

31

Лекция № 5

СВЕТОВОЙ КЛИМАТ

Световым климатом называется совокупность данных о природных ресурсах световой энергии в том или ином районе строительства за период не менее десяти лет.

Почему же различные регионы имеют различный световой климат? Что бы ответить на этот вопрос рассмотрим сначала гипотетическую модель Земли, на которую параллельным потоком падают световые лучи. На экваторе, если брать, к примеру, полуденные часы, солнечные лучи падают перпендикулярно к поверхности земли и освещенность при этом максимальна, т.к. она прямопропорциональна косинусу угла между лучом и нормалью к поверхности (см. формулу 5 и рис. 6). При перемещении к полюсам земного шара этот угол увеличивается и освещенность становится все меньше. Следовательно, определенной широте местности соответствует свой уровень освещенности.

На экваторе солнечный луч проходит минимальное расстояние в атмосфере и, соответственно, будет минимальное поглощение. К полюсам расстояние прохождения через атмосферу увеличивается и к поверхности световой поток доходит сильно ослабленным. Поэтому наряду с углом падения действует фактор ослабления света атмосферой в зависимости от широты местности. Это факторы общего плана.

Также оказывают влияние орография (холмы, впадины, склоны различной ориентации, горы), соотношение водных поверхностей и суши, оказывающее влияние на облачность, которая сильно сказывается на освещенности, и другие факторы.

Основные характеристики светового климата

Как видим, в результате воздействия многочисленных факторов каждый регион имеет свои природные световые ресурсы, как по количественным, так и по качественным характеристикам.

Световой климат включает следующие характеристики:

-интенсивность природной световой энергии;

-соотношения между прямой, рассеянной и отраженной составляющими;

-яркость небосвода; распределение яркости при разной погоде;

-динамика освещения.

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

Поэтому основными составляющими дневной освещенности под открытым небосводом являются:

-прямой солнечный свет Ес;

-рассеянный (диффузный) свет неба Ен;

-отраженный свет от земли и наземных объектов Ез.

Таким образом, общая освещенность в ясный день на открытом месте Ео составляет: Ео = Ес + Ен + Ез. (19)

Прямой солнечный свет представляет собой световой поток, идущий непосредственно от Солнца, принадлежащего к числу желтых звезд-карликов, и удаленного в среднем от Земли на 149,6 ·106 км. Это расстояние принимается за единицу (астрономическая единица). Радиус солнечного шара составляет 696000 км, что в 109,1 раза больше среднего радиуса Земли. Несмотря на такие колоссальные размеры, солнечный диск на небосводе невелик и его видимый угловой диаметр составляет в среднем 0о31 59 , а телесный угол равен 1,6989·10-5 стерадиан. Основными характеристиками, которые определяют излучательную способность Солнца, служат солнечные постоянные – световая и тепловая.

32

Световая солнечная постоянная Еос представляет собой освещенность площадки, рас-

положенной перпендикулярно солнечным лучам и удаленной от Солнца на расстояние, равное астрономической единице (т.е. площадка расположена на внешней границе атмосферы Земли). Приближенное значение световой солнечной постоянной на внешней границе атмосферы составляет 135000 – 137000 лк. Соответствующая этой освещенности средняя яркость Солнца, как уже отмечалось, Lс = 2 ·109 кд/м2.

При заданном коэффициенте пропускания света атмосферой а, который зависит от высоты стояния Солнца и прозрачности воздуха p, прямая освещенность на горизонтальной поверхности Ес определяется по формуле

Ес = Ес sinh0 ,

(20)

где Ес - прямая освещенность на плоскость, перпендикулярную направлению солнечных лучей, лк;

hо – угловая высота стояния Солнца над горизонтом, град.

	Ес	=	Ео	рМ ,
			с		(21)
			2

где 2 – расстояние от Солнца в заданный момент в астрономических единицах; определяется по астрономическим таблицам (для инженерных расчетов 1);

р – прозрачность воздуха (для крупных городов с загрязненной атмосферой р = 0,6; для сельских районов р = 0,7; для горных областей р = 0,8);

М – воздушная масса, которую необходимо преодолеть солнечным лучам при прохождении через атмосферу. Значения М в зависимости от угловой высоты солнцестояния ho представлены в таблице Бемпорада (табл. 6, рис. 17).

Значения воздушной массы в зависимости от угловой высоты солнцестояния Таблица 6

ho, град		0	5	10	20	30		40		50	60		70			80	90
М		26,96	10,4	5,6	3,2	2,0		1,6		1,3	1,2		1,1			1,015	1,00
								Таким образом, прямая освещенность
							окончательно определяется таким образом
												Ео
											Ес =		с	рМ sinho.			(22)
													2
								При		прохождении через						атмосферу
							прямые лучи Солнца рассеиваются и доходят
							до поверхности земли в виде диффузного света
							неба. Рассеивание в атмосфере бывает двух
							видов. Молекулярное – рассеивание частица-
							ми, размеры которых значительно меньше
	Рис. 17. Схема к определению воздуш-						длины волны падающего света. Это рассеива-
		ной массы					ние происходит в коротковолновой части
							спектра ( = 475 – 490 нм), что соответствует

синему цвету. Аэрозольное – рассеивание частицами, размеры которых больше длины волны падающего света. Спектральный состав этого рассеивания смещается в длинноволновую часть и имеет в основном нейтральные цвета (облака, дымка).

Рассеянная наружная освещенность от диффузного неба зависит в основном от высоты стояния Солнца и характера облачности. Существенное влияние на освещенность оказывают также прозрачность воздуха и состояние земного покрова.

Чтобы определить горизонтальную рассеянную освещенность от диффузного неба мож-

но воспользоваться зависимостями из закона проекции телесного угла
Ен = Lср· ,	(23)

33

где Lср – средняя яркость диффузного неба.

Дошедший до поверхности земли прямой свет от солнца и диффузный свет от неба отражается от нее и попадает на поверхность потолка помещения, имеющей высокий коэффициент отражения. Затем, отражаясь от потолка, поступает на рабочую поверхность, создавая при этом дополнительный световой поток. Влияние отраженного света в облачную погоду проявляется в большей степени, чем в ясную, так как происходит многократное отражение от земли и облаков, увеличивая, таким образом, общую величину светового потока.

Главным фактором, определяющем величину отраженного света, является коэффициент отражения подстилающей поверхности земли з . Некоторые значения коэффициентов отражения от естественных поверхностей представлены ниже:

-снег тающий – 0,8;

-снег свежевыпавший – 0,9;

-море - 0,035;

-луг зеленый сочный – 0,064;

-песок обыкновенный – 0,24;

-слой облаков – 0,8.

Для определения отраженной составляющей Ез необходимо значение суммарной освещенности (прямая + диффузная) умножить на коэффициент отражения земной поверхности з :

о

Ез = ( Е2с рМ sinho + Lср· )· з. (24)

Итак, общая освещенность определится по следующей формуле:

		о			о
Ео = Ес + Ен + Ез = (	Ес		рМ sinho + Lср· ) + (		Ес	рМ sinho + Lср· )· з ;
	2				2
		Ео
Ео = (		с		рМ sinho + Lср· )·(1 + з).			(25)
		2

Светоклиматическое районирование

Учет световых ресурсов государства является важной составляющей при нормировании естественного освещения в зданиях и способствует повышению качества световой среды в помещениях и сокращению энергозатрат.

На основе результатов расчетов наружной освещенности по формуле (25) или, что лучше, на основе климатических данных гидрометцентра можно построить карту светового климата того или иного государства. С этой целью для наиболее крупных городов и промышленных районов определяется критерий светоклиматического районирования, который представ-

ляет собой среднее за год количество наружного диффузного освещения (средняя освещенность) на горизонтальной поверхности в течение одного часа за период использования в помещении естественного света. Этот критерий определяется по следующей формуле:

		год (Е Е	кр )
Еср				,	(26)
		год Т

где Еср – средняя освещенность – критерий светоклиматического районирования, лк/ч; Е – наружная освещенность горизонтальной поверхности в данный момент времени, лк;

Екр – критическая наружная освещенность – это та освещенность, ниже которой невозможно работать без дополнительного искусственного освещения, лк;

Т – продолжительность использования естественного освещения, определяемая разностью времени наступления критической освещенности утром и вечером, ч.

Критическая наружная освещенность зависит от разряда зрительных работ и может определяться по формуле

Екр = Еи / ен ,

uде Еи – нормируемая освещенность при искусственном освещении [11];

34

ен – нормируемое значение КЕО для данного разряда зрительных работ [11].

Однако, как правило, значением критической освещенности задаются в соответствии с разрядом зрительных работ: 2500; 5000; 7500; 10000 лк.

Продолжительность использования естественного освещения определяется следующим образом. На кривые наружной освещенности, построенные для каждого месяца, наносится горизонталь, соответствующая значению критической освещенности (например, 5000 лк). По точкам пересечения этой горизонтали с кривыми в утренние и вечерние часы можно определить для каждого месяца года продолжительность использования естественного освещения.

Это очень важная величина, так как она значительно влияет на энергетический баланс здания. При рациональном выборе размеров светопроемов и увеличении использования

естественного света на один час в течение суток государство экономит 3 млн кВт/ч электроэнергии в год только в промышленных зданиях [1, стр. 10].

После подсчета критерия светоклиматического районирования для различных населенных пунктов выбирается базовый пункт, относительно которого определяется коэффициент светового климата m (для территории бывшего СССР в качестве базового пункта является Москва)

	Е	срМ
m =			,	(27)

Еср

где ЕМср - средняя освещенность в Москве, клк/ч;

Еср- средняя освещенность в данном районе, клк/ч и по этому коэффициенту производится светоклиматическое районирование территории государства.

Вся территория бывшего СССР согласно расчетам по данной методике была разделена на пять светоклиматических поясов (рис. 18). Для I пояса m = 1,2, для II – m = 1,1, для III – m = 1, для IV- m = 0,9 и для V- m = 0,8 [11].

Светоклиматическое районирование территории Украины

Однако это районирование имеет два недостатка. Во-первых, оно было осуществлено в шестидесятых годах, когда использовались устаревшие по отношению к настоящему времени данные и устаревшие технологии обработки данных. Во-вторых, территория государства огромная и невозможно было с достаточной степенью точности провести анализ и обработку данных по каждой союзной республике. Учитывая эти соображения, была высказана идея о повторном проведении светоклиматического районирования, но уже только для территории Украины и с использованием современных данных.

На основе предварительных исследований [9] было предположено, что Украина может иметь не два светоклиматических пояса, как заложено в существующих нормах (рис. 15), а четыре.

Проверка этого предположения осуществлялась по изложенной выше методике [6] с привлечением последних метеорологических данных.

Расчеты осуществлялись по двенадцати населенным пунктам (см. таблицу 7), для каждого из которых на 15-е число каждого месяца по соответствующим срокам дня: 6 ч 30 м; 9 ч 30 м; 12 ч 30 м; 15 ч 30 м; и 18 ч 30 м, определялась угловая высота солнцестояния h по формуле:

h = arcsin(sin sin + cos cos cost), град, (28)

где , , t – соответственно, широта населенного пункта, склонение Солнца и время суток в градусах.

В зависимости от угловой высоты солнцестояния по таблицам Шаронова В.В. [26], определялась освещенность при пасмурном (8-10 баллов, слоистые облака) небосводе Еп.

35

Рис. 18. Карта светового климата (по состоянию на 1980 г.).

Поскольку на метеорологических станциях освещенность не измеряется, а измеряется интенсивность солнечной радиации, то освещенность при ясном (0-2 балла) небосводе Ея и при средних условиях облачности (3-7 баллов) Епя определялась через световой эквивалент, вы-

ражающий ту освещенность, которая соответствует 1 Вт/м2 солнечной радиации, на осно-

вании следующих выражений:
Ея = Сп Sя + Ср Dя ;	Епя = Сп Sпя + Ср Dпя ,	(29)
где Сп , Ср – световой эквивалент, соответственно,	для прямой и рассеянной радиации, опре-

деляемый в зависимости от угловой высоты Солнца по таблицам Русина Н.П. [23], клк / кВт м-2;

Sя , Dя – интенсивность, соответственно, прямой и рассеянной радиации при ясном небосводе, кВт / м2;

Sпя , Dпя - то же, при средних условиях облачности, кВт / м2.

Суммарная горизонтальная освещенность Е с учетом вероятности общей облачности оп-

ределялась по следующей формуле
Е = ря Ея + рпя Епя + рп Еп,	(30)
где ря ,рп, рпя – вероятность состояния небосвода по общей облачности,	соответственно, при
ясном и пасмурном небосводе и при средних условиях облачности.

Интенсивность солнечной радиации и вероятность облачности принимались для соответствующих населенных пунктов по данным Справочника по климату СССР [17, 18].

Для каждого пункта строились графики распределения итоговой освещенности Е в течение суток для каждого месяца. На рис. 19 в качестве примера представлены графики суммарной горизонтальной освещенности с учетом вероятности состояния небосвода по общей облачности для Покошичи Черниговской обл. за январь – июнь. На основе этих графиков по формуле (26) подсчитывался критерий светоклиматического районирования Еср:

Расчеты Еср осуществлялись для трех значений критической освещенности: 2,5; 5,0; 7,5

клк.

Коэффициент светового климата подсчитывался из выражения (27) m = Епср / Еср ,

где Епср - критерий светоклиматического районирования для Покошичи Черниговской области.

Этот населенный пункт принят за базовый (т.е. m = 1) вследствие того, что он ближе

							36
всего	находится к III	светоклиматическому	поясу	по	существующим нормам [11],		для
которого определены нормативные значения КЕО.
	Е,клк
	30
	25	июнь
		май
	20	апрель
	15
	10				март
	5				февраль
	0				январь
	6.30	9.30	12.30		15.30	18.30
						Т, час
	Рис. 19. Суммарная горизонтальная освещенность для
		Покошичи Черниговской обл. за январь – июнь.

Окончательные результаты расчетов приведены в таблице 7.

В результате проведенного анализа метеорологических данных выяснилось, что Украина имеет четыре светоклиматических пояса: І пояс – север и запад территории – m = 1; ІІ пояс – центральная и восточная части территории – m = 0,9; ІІІ пояс – южные области (за исключением Крыма) – m = 0,8; IV пояс – Крымский полуостров – m = 0,7.

Распределение светоклиматических поясов представлено на карте (рис. 20).

Данная карта не претендует на исчерпывающую полноту, так как здесь не отражено своеобразие светового климата горных территорий, на который оказывают влияние специфические климатические характеристики и закрытость горизонта. Также не учтены параметры светового климата зон крупных городов и промышленных регионов (например, Донбасс). Поэтому данные исследования требуют своего развития. И, прежде всего, развитие должно осуществляться

внаправлении разработки методов измерения непосредственно освещенности на метеорологических станциях Украины, как это делается во многих других государствах. Однако, уже в этом виде разработанное светоклиматическое районирование территории Украины можно включать

вновые нормы по естественному освещению зданий, которые к сожалению, до настоящего времени не разработаны.

Распределение яркости по небосводу

Что такое небесный свод? В Древней Греции и Древнем Риме видимый небесный купол считали твердым сводом, закрывающим Землю сверху. По Клавдию Птолемею (ІІ в.н.э.) небосвод представляет собой семь кристаллических сфер, по которым вращаются светила: Луна, Меркурий, Венера, Солнце, Марс, Юпитер и Сатурн. Позднее, в средние века, ученые схоласты спорили, из чего «сделан небосвод: из стекла, хрусталя или драгоценных камней синего цвета, например сапфира?

Правильное объяснение того, что же представляет собою небесный свод, дал в XV в. Леонардо да Винчи. В книге «О живописи» он писал: «Синева неба происходит благодаря толще освещенных частиц воздуха, которая расположена между Землей и находящейся наверху чернотой». Таким образом, вся толща атмосферы, освещенная солнечными лучами, и создает впечатление светлого купола небосвода. Однако и во времена Леонардо да Винчи и даже столетие

37

Светоклиматические показатели ряда населенных пунктов Украины Таблица 7

№	Район строительст-		При значении критической освещен-						Сред-	Номер
п/п	ва				ности Екр, лк				нее	свето-
			2500		5000		7500		значе-	вого
			m	Т, ч	m	Т, ч	m	Т, ч	ние m	пояса
1	Покошичи	(Черни-	1,00	3732	1,00	3089	1,00	2501	1,00
	говская обл.)
2	Ковель (Волынская		1,11	3803	1,11	3061	1,15	2467	1,12	1
	обл.)
3	Берегово	(Закар-	0,99	3312	0,92	2972	0,94	2396	0,95
	патская обл.)
4	Новая	Ущица	1,03	3817	1,01	3187	1,00	2488	1,01
	(Хмельницкая обл.)
5	Борисполь (Киев-		0,96	3835	0,93	3150	0,93	2556	0,94
	ская обл.)									2
6	Полтава		0,98	3842	0,89	3263	0,88	2682	0,92
7	Велико-Анадоль		0,93	3809	0,88	3259	0,89	2705	0,9
	(Донецкая обл.)
8	Одесса (ГМО)		0,84	3911	079	3449	0,75	2999	0,79
9	Болград (Одесская		0,86	3911	0,81	3379	0,79	2810	0,82
	обл.)									3
10	Херсон		0,86	3909	0,82	3382	0,80	2792	0,83
11	Аскания-Нова		0,80	3819	0,75	3314	0,70	2815	0,75
	(Херсонская обл.)
12	Карадаг (Крым)		0,75	3893	0,7	3440	0,66	2943	0,7	4

1. m=1

2. m=0,9

3. m=0,8

4. m=0,7

Рис. 20. Карта светового климата Украины (по данным метеорологических станций на 1990 год)

38

спустя ученым, таким как Джордано Бруно, Джулио Ванини, все еще приходилось бороться с догматами церкви и религиозными представлениями о Вселенной, разбивая представление о небе, как о «кристалле», т.е. чем-то твердом. Об этом свидетельствуют стихи Джордано Бруно:

Кристалл небес мне не преграда боле, Разрушивши его, подъемлюсь в бесконечность.

Окружающий нас воздух – совершенно бесцветный газ. Даже не очень чистый воздух приземного слоя атмосферы в городах оказывается необыкновенно прозрачным в сравнении с самой прозрачной жидкостью или с самым прозрачным оптическим стеклом. Если смотреть через слой воздуха толщиной в несколько метров, то мы не видим его совсем. Если толщина слоя достигает несколько километров, мы видим воздушную дымку, которая затягивает удаленные предметы. Вся же атмосфера в целом создает светлый голубой купол небосвода. И происходит это благодаря ее огромной толще.

В атмосфере всегда происходит одновременно как молекулярное, так и аэрозольное рассеяние. Аэрозольное рассеяние, являясь по характеру нейтральным, как уже отмечалось, накладывается на молекулярное и уменьшает степень синевы неба, одновременно увеличивая его яркость. Цвет неба и его яркость в любом направлении определяются: цвет – спектральным составом, яркость – общей интенсивностью рассеянного света, идущего из этого направления и создаваемого всеми молекулами и крупными частицами, «сидящими» на луче зрения в данном направлении.

Наибольшей синевой ясное небо характеризуется в околозенитной области, где в рассеянии участвует минимальная толща воздуха, и, кроме того, в этом направлении воздух более чистый. Поэтому рассеяние наиболее близко к молекулярному. С удалением от зенита увеличивается толща воздуха, участвующая в рассеянии, а соответственно число крупных частиц на луче зрения, и рассеяние становится все более интенсивным. А при рассеянии в большой толще воздуха возрастает роль многократного рассеяния, которое по характеру, как и аэрозольное, близко к нейтральному. Все это приводит к тому, что при увеличивающейся яркости голубизна неба уменьшается и на горизонте небо становится совершенно белесым. Все, по-видимому, замечали, что с увеличением замутнения атмосферы голубизна неба уменьшается во всех направлениях, а яркость увеличивается: это аэрозольное рассеяние «съедает» синеву неба, делая его белесым и ярким.

Цвет неба и его яркость изменяются при поднятии над земной поверхностью. Чем выше мы поднимаемся, тем тоньше слой воздуха над точкой наблюдения, тем синее небо и тем меньше его яркость. Уже на вершинах гор высотою 4 – 5 км альпинисты любуются синеголубым небом. Пассажиры мощных самолетов, совершающих рейсы на высоте 10 км, видят небо насыщенного синего цвета, стратонавты, поднимающиеся на стратостатах на высоту более 20 км, наблюдают темно-синий цвет неба. На высотах полета космических кораблей (более 100 км) небо выглядит совершенно черным, т.е. с нулевой яркостью.

Согласно закону проекции телесного угла, освещенность в данной точке помещения прямопропорциональна не только проекции телесного угла светопроема, но и яркости видимого из этой точки участка небосвода. А.М. Данилюк при этом делал допущение о том, что яркость во всех точках небосвода одинакова. Однако, это далеко не так. Поэтому знание распределения яркости по небосводу способствует повышению точности определения освещенности в помещении, оптимальной ориентации здания по сторонам горизонта и площади светопроемов. От распределения яркости зависит также и величина наружной освещенности.

Международной комиссией по освещению (МКО) стандартизировано два состояния небосвода: пасмурное и ясное.

Основным допущением в расчетах КЕО, принятым в настоящее время нормами большинства стран является облачное небо при облачности 8 – 10 баллов. Распределение яркости по такому небу базируется на основе исследований, проведенных английскими учеными Пэрри Муном и Домина Спенсером путем сканированного измерения яркости небосвода. Статистическая обработка многочисленных данных эксперимента выявила довольно-таки простую зави-

						39
	симость отношения яркости данного участка
	небосвода L , видимого из данной точки под
	углом , к ярости неба в зените Lz от величи-
	ны угловой высоты данного участка :
		L		1 2sin	.	(31)
		Lz		3
	Такое распределение яркости (рис. 21)
	имеет место только по меридиану небосвода.
	По кругу горизонта под одним и тем же углом
	к нему яркость считается постоянной.
Рис. 21. Схема к расчету распределения	Если яркость в зените принять за еди-
яркости по пасмурному небо-	ницу, то яркость у горизонта ( = 0) согласно
своду	формуле 31 будет равна 1/3. Следовательно,
	максимальная яркость пасмурного					неба на-

блюдается в зените, минимальная - у горизонта. С точки зрения вышеописанных физических явлений это вполне понятно, т.к. здесь имеет место только лишь аэрозольное рассеяние, а толща атмосферы в зенитном направлении гораздо меньше толщи у горизонта.

Для районов с устойчивым снежным покровом (более 6 месяцев в году) принята сле-

дующая формула
	L		3 2sin	.	(32)

Lz 5

Распределение яркости по ясному небу определяется абсолютной индикатрисой рассеяния света – угловое распределение яркости рассеянного света, изображенное в виде полярной диаграммы.

Полная яркость неба L в любом направлении складывается из трех компонент

L = L1 + L2 + L0;

где L1 – яркость за счет первичного рассеяния; L2 – яркость за счет многократного рассеяния;

L0 – яркость, создаваемая светом, отраженным от земной поверхности. Каково же соотношение этих компонент?

При высокой прозрачности атмосферы и малом альбедо (отражательная способность земной поверхности) основную роль в создании яркости неба играет рассеяние первого порядка. При коэффициенте прозрачности атмосферы более 0,85 вклад вторичного рассеяния в яркость неба в видимой области спектра вдали от горизонта составляет всего не-

сколько процентов.

При увеличении мутности атмосферы существенно возрастает роль многократного рассеяния. При коэффициенте прозрачности 0,6 – 0,7 вклад вторичного рассеяния уже превышает

50 %

Рис. 22. Распределение яркости ясного неба в вертикале Солнца

Заметную роль в увеличении яркости неба начинает играть свет, отраженный от земной поверхности, если ее

альбедо велико, например, в случае, когда она покрыта снегом.

Основной максимум яркости ясного неба всегда наблюдается около