СпецкурсПГС

40

Солнца (рис. 22). Это так называемый околосолнечный ореол. Он представляет собой довольно яркое, белесого цвета кольцо на безоблачном небе вокруг Солнца. Угловая ширина кольца до 10 – 12о. Голубое небо начинается за пределами ореола.

Второй максимум яркости небосвода – пригоризонтный. Он обусловлен увеличением толщи атмосферы, участвующей в рассеянии при приближении к горизонту. Минимум яркости неба находится в солнечном зените. Эта точка лежит в вертикале Солнца (вертикальная плоскость, проходящая через Солнце, зенит места наблюдения и наблюдателя) на угловом расстоянии от него 90о, когда Солнце на горизонте, и на несколько меньшем расстоянии при поднятии Солнца.

Распределение яркости ясного неба разработано словацким ученым Робертом Киттлером

(рис. 23)

	L		(1 e 0.32sec Z )(b ce 3 dcos2		)
						f(Z,Z0 , ,p),	(33)
	Lz		0.274(b ce 3Z0	dcos2 Z0 )
			где L - яркость рассматриваемого участка, кд/м2;
				Lz – яркость в зените купола небосвода, кд/м2;
				Z – зенитное расстояние рассматриваемого участ-
			ка небосвода, град;
				Z0 – зенитное расстояние Солнца, град;
				- угол между Солнцем и рассматриваемой точ-
			кой на полусфере, град;
			b, c и d – эмпирические параметры, определяющие
			форму индикатрисы рассеяния и зависящие от про-
			зрачности атмосферы р.
				При прозрачности атмосферы р = 0,7 (при не-
			значительном ее загрязнении):
Рис. 23. Схема к расчету распределе-				b = 0,91; c = 10;			d = 0,45.
ния яркости по ясному неб-				В крупных промышленных городах прозрач-
осводу			ность атмосферы понижена и				составляет р = 0,6.
			Научно-исследовательский институт строительной
физики (Москва) уточнил параметры, входящие в формулу (33):
			b = 0,856;	c = 16;	d = 0,3.

41

Лекция № 6

ОСНОВЫ НОРМИРОВАНИЯ ЕСТЕСТВЕННОГО ОСВЕЩЕНИЯ

При проектировании систем естественного освещения зданий возникает вопрос о том, каковы оптимальные параметры естественного освещения необходимы для данного помещения. Поскольку конечной целью проектирования и строительства здания является создание благоприятной искусственной среды для нормальной деятельности человека, то при определении оптимальных параметров среды необходимо, прежде всего, учитывать физиологические потребности человека. В частности, для световой среды условия зрительного восприятия зависят от видимости объектов различения.

Особенности оценки видимости. Закон Вебера-Фехнера

Под видимостью понимают способность человека воспринимать различные объекты при тех или иных условиях освещения.

Видимость того или иного объекта определяется тремя основными зрительными функциями: контрастной чувствительностью, остротой различения и скоростью различения.

Под контрастной чувствительностью понимают способность глаза обнаруживать рассматриваемый предмет по контрасту его с фоном. Пока яркость Lо (и цвет) объекта равна яркости Lф (и цвету) фона, объект неразличим. Если постепенно изменять яркость фона или объекта, наступает момент, когда при разности яркости L объект становится отличим от фона. Величину L/Lф называют пороговым (т.е. наименьшим различимым) контрастом яркости или просто яркостным порогом. В общем случае контраст яркости

К Lo Lф m L Lф Lф

может быть определен числом m яркостных порогов. Это значит, что между яркостью фона и объекта можно отличить еще m ступеней яркости.

Эту зависимость нашел Вебер (1846) в опытах над сравниванием испытываемых рукой тяжестей и в опытах над оценкой длины линий.

Фехнер (1860) пошел дальше и сделал допущение, что едва заметные изменения в интенсивности ощущений суть величины бесконечно малые и могут рассматриваться как дифференциалы в математическом смысле. Это позволило ему вывести основной психофизический закон в виде дифференциального уравнения

dK = m dL . L

Интегрирование этого уравнения привело к установлению общего закона зависимости

наших ощущений К от интенсивности соответствующих им раздражителей L в виде
K = m·lnL + C,	(34)

где m и С – некоторые постоянные.

Этот закон, гласящий, что интенсивность ощущений растет пропорционально лога-

рифмам раздражения, известен как основной психофизический закон, или закон ВебераФехнера.

Величина яркостного порога непостоянна и зависит от яркости фона. Условиям наилучшей видимости соответствует диапазон яркостей от 7 до 700 кд/м2. при таких яркостях фона яркостный порог не превосходит 2 %, а при понижении или увеличении яркости за пределы указанного диапазона порог растет и видимость резко ухудшается.

Величина яркостного порога зависит также и от углового размера объекта. Чем больше его угловой размер, тем меньше величина порога. Следовательно, уровень видимости характеризуется контрастом объекта с фоном, уровнем яркости фона и угловым размером объекта. Наименьший угловой размер предмета, обеспечивающий различение его контура при К = 10 и

42

m 10, называется разрешаемым углом, а обратная его величина – остротой различения. Условно считают, что острота различения равна 1, если разрешаемый угол равен 1 мин.

Третья основная функция – скорость различения – устанавливает зависимость между качеством освещения и производительностью труда. Многочисленные опыты показывают, что с увеличением освещенности скорость различения и связанная с нею скорость выполнения той или иной операции вначале растут очень быстро, но после достижения некоторого уровня освещенности прирост скорости различения становится незначительным. Так например, при повышении освещенности с 20 до 100 лк скорость чтения возрастает на 20 %, а при дальнейшем увеличении освещенности до 300 лк – всего на 9 %. Тем не менее даже при освещенности 1000 лк скорость чтения продолжает возрастать, а утомляемость глаза – снижаться.

Однако, при дальнейшем увеличении освещенности наступает такой момент, когда скорость различения начинает падать. Это связано с тем, что на глаза воздействует чрезмерная жесткость освещения, которая быстро утомляет глаз.

Все указанные закономерности наблюдаются при равномерном распределении яркости фона в пределах поля зрения. Всякое отступление от этого условия, а особенно наличие в поле зрения объектов высокой яркости, вызывающих ослепленность, резко ухудшает условия видения. Пороговая разность яркости может повыситься при этом в десятки раз, а выполнение работ высокой точности станет практически невозможным

Зрительная работоспособность

Любой производственный процесс с участием человека и большинство функциональных процессов связаны, как правило, с зрительной работой. Она включает в себя процессы зрительного обнаружения и опознания деталей производственного или функционального процесса – объектов наблюдения, а также выполнения с ними (или над ними) определенных операций.

Х. Вестон предложил принять за критерий выбора нормированных значений яркости (освещенности, КЕО) зрительную работоспособность (производительность зрительной работы), определяемую продолжительным исследованием одной из функций зрения. В качестве исследуемой функции зрения Вестон выбрал скорость различения..

Количественная характеристика зрительной работоспособности по Вестону определяется по формуле:

= 1p , t

где - зрительная работоспособность;

t – время различения каждого тест-объекта, p – вероятность правильного опознавания.

За тест-объект Вестоном были приняты кольца Ландольта (кольца, у каждого их которых в определенном месте имеется разрыв, который нужно различить). Эти кольца располагались на листе плотной матовой белой бумаги.

Зрительная работоспособность в общем случае может определяться по формуле:

з	N		n	,	(35)
	T n

где N – общее количество элементов тест-объекта, просмотренных наблюдателем, шт; Т – полное время определения зрительной работоспособности, с;

n - количество бракованных элементов в тест-объекте, шт; n - количество правильно опознанных элементов, шт.

Для повышения чувствительности зависимости зрительной работоспособности от исследуемого фактора часто используется относительная зрительная работоспособность отн:

з	отн		з	100, %,
			з max

где max – максимальное значение зрительной работоспособности, определяемое оптимальным

43

значением яркости (освещенности, КЕО) для заданного тест-объекта.

Таким образом, в зависимости от вида зрительной работы определяется соответствующая зрительная функция, по которой определяется оптимальное значение яркости (освещенности, КЕО) и затем эти значения вносятся в нормы.

Нормирование естественного освещения помещений

Необходимое количество и качество природного света в помещениях определяется, как уже отмечалось, их функциональным или технологическим назначением, точнее, характером зрительной работы. На основе многолетнего опыта и проведенных многочисленных исследований были установлены параметры естественного освещения, при которых обеспечиваются благоприятные условия для зрения. Эти характеристики получили отражение в нормах, имеющих у нас силу закона.

Нормированными называются такие значения параметров, при которых в максимальной степени обеспечиваются биологические и психологические потребности человека, а также ма- териально-технические и экономические возможности государства на данный период времени.

При оценке систем естественного освещения помещений нормируемыми параметрами являются КЕО и неравномерность естественного освещения.

Нормированные значения КЕО в помещении выбираются в зависимости от двух факто-

ров:

1.От сложности зрительной работы. В производственных помещениях она классифицируется по величине объекта различения на 8 разрядов – от работы наивысшей точности с деталями различения менее 0,15 мм, до грубой - с объектами более 5 мм. В гражданских зданиях помещения имеют типологическую классификацию.

2.От вида системы естественного освещения.

Все эти параметры определены для ІІІ светоклиматического пояса. Для других поясов необходим пересчет нормированного значения КЕО с учетом его светоклиматических особенностей по формуле:

ен = енІІІ m C,

(36)

где ен – нормативное значение КЕО для данного района строительства, %; еІІІн - нормативное значение КЕО для ІІІ светоклиматического пояса. Принимается по табл. 1

для производственных зданий и по табл. 2 для остальных видов зданий [11], %; m – коэффициент светового климата, определяемый по табл. 4 [11];

С – коэффициент солнечности климата, определяемый по табл. 5 [11].

Коэффициент солнечности вводится в формулу (36) из следующих соображений. При расчетах согласно существующим нормам [11] принимается пасмурный небосвод. Однако каждый регион имеет свое соотношение пасмурных и ясных дней в году. Ясные дни имеют более высокий средний уровень наружной освещенности за счет наличия интенсивной прямой составляющей. Этот фактор как раз и учитывает коэффициент С. Чем южнее расположен город, тем больше солнечных дней в году, тем более высокий уровень наружной освещенности, тем меньше может быть значение С. Коэффициент солнечности, помимо широты расположения населенного пункта, зависит также от вида системы естественного освещения и ориентации здания по сторонам горизонта.

Неравномерность естественного освещения определяется отношением среднего значения КЕО по расчетным точкам характерного разреза к наименьшему значению КЕО.

Неравномерность естественного освещения помещений производственных и общественных зданий с верхним или с верхним и боковым естественным освещением и основных помещений для детей и подростков при боковом освещении не должна превышать 3 : 1. расчетные значения КЕО ер при верхнем или при верхнем и боковом освещении в любой точке на линии пересечения условной рабочей поверхности и плоскости характерного вертикального разреза помещения должно быть не менее нормированного значения КЕО при боковом освещении для работ соответствующих разрядов.

44

Неравномерность естественного освещения не нормируется для помещений с боковым освещением; производственных помещений, в которых выполняются работы VII и VIII разрядов при верхнем или при верхнем и боковом освещении; вспомогательных помещений и помещений общественных зданий, в которых производится обзор окружающего пространства при очень кратковременном, эпизодическом различении объектов, а также в которых происходит общая ориентировка в пространстве.

В новые нормы необходимо также ввести регламентацию размеров окон по психологическому фактору. Немецкий ученый Ж. Реслер в 1980 г. опубликовал результаты исследований по влиянию различных факторов на функции окна как средства связи с наружным пространством. При наличии постоянного дополнительного искусственного освещения эта функция становится определяющей при проектировании светопроемов зданий.

Исследования проводились методом субъективной оценки на макете комнаты, воспроизводящем характерное административное помещение глубиной 9 – 12 м, шириной 6 м, высотой 3 м с двумя окнами высотой 2 м. В ходе эксперимента варьировались: уровень освещенности от установки постоянного дополнительного освещения Ед = 0 - 2000 лк; ширина окна – в пределах от 0 до 2,4 м; характер внешнего вида за окном – панорама города, улица, фасад здания; глубина помещения; направление линии зрения – на фронтальную и боковую стены. В исследованиях принимали участие 20 наблюдателей, которые дали 10080 ответов (да, нет) на три следующих вопроса:

1.Ощущается ли внутри помещения неудобство из-за замкнутости, изолированности пространства?

2.Создает ли интерьер чувство достаточной уединенности?

3.Отвлекает ли от работы внешний вид за окном?

Относительное число положительных ответов характеризовало с количественной стороны исследуемое свойство психологической функции окна (т.е. степень замкнутости, уединенности или отвлечения).

Результаты исследования позволили прийти к следующим основным выводам.

-Наибольшее влияние на оценку исследуемых свойств окна оказывает ширина окна, уровень дополнительного освещения Ед и характер внешнего вида за окном.

-Степень замкнутости пространства резко уменьшается при ширине окна от 1,5 и более; степень уединенности мало зависит от размеров окна; при размерах здания, кратных модулю 6 м, оптимальной является длина бокового остекления 3 – 4 м (при высоте 2 м).

-Чрезмерную степень замкнутости пространства при недостаточной площади остекления можно компенсировать повышением уровня Ед; с точки зрения улучшения исследованных свойств окна предпочтительны уровни Ед от 400 до 1000 лк.

-Характер внешнего вида за окном в наибольшей мере влияет на степень уединенности: при ориентировании окна на панораму города эта степень увеличивается примерно в 1,5 раза.

Полученные результаты предполагается использовать при пересмотре норм ФРГ по естественному освещению зданий.

ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМ ЕСТЕСТВЕННОГО ОСВЕЩЕНИЯ ЗДАНИЙ

Общие вопросы проектирования систем естественного освещения зданий

Системой естественного освещения называется совокупность светопроемов, расположенных в наружных ограждениях здания.

Основной задачей проектирования систем естественного освещения является организация благоприятной природной световой среды, как в помещении, так и на рабочих местах путем определения рациональной формы, площади и соответствующего расположения световых проемов в наружных ограждениях и отражающих свет поверхностей в помещении.

45

Световая среда, наряду с другими составляющими (температурно-влажностными условиями, шумовым режимом и т.п.), имеет большое значение при формировании среды здания в целом. При недостаточном уровне освещения глаз человека постоянно перенапрягается. При этом угнетается нервная система, что ведет, в конечном счете, к снижению производительности труда.

Несколько иначе сказывается воздействие чрезмерных уровней освещения. В начальный момент времени производительность труда может возрастать. Однако в дальнейшем жесткость чрезмерного освещения ведет к повышению утомляемости, что приводит к снижению производительности труда, а также к ухудшению самочувствия.

Следовательно, существует оптимальный диапазон уровней освещенности, при котором наблюдается максимальная производительность и высокий жизненный тонус. И если в результате проектирования значения параметров световой среды не попали в пределы этого диапазона, то, чтобы выполнить намеченную производственную программу, человеку необходимо затратить дополнительную внутреннюю биологическую энергию.

Параметры, создаваемые светопроемами соответствующей площади, должны строго соответствовать нормативным их значениям. Снижение площади светопрозрачных ограждений, наряду со снижением производительности труда, приводит к отрыву человека от естественной наружной среды, к нарушению его биологических ритмов вследствие повышения степени замкнутости внутреннего пространства помещения.

Системы естественного освещения применяются в тех помещениях, где имеет место, как правило, постоянное пребывание людей. Допускается не предусматривать естественное освещение для помещений раздевальных в банях, стиральных и сушильно-гладильных отделений прачечных, санитарно-бытовых помещений вспомогательных зданий, ожидальных здравпунктов, личной гигиены женщин, а также производственные помещения согласно Санитарным нормам проектирования промышленных предприятий.

Проектирование естественного освещения должно базироваться на детальном изучении функционального или технологического процессов, выполняемых в помещениях, а также на светоклиматических особенностях места строительства зданий. При этом должны быть определены следующие характеристики:

-характер зрительной работы, наименьший размер объекта различения, разряд зрительной работы;

-местонахождение здания на карте светового климата;

-нормированное значение КЕО (eн) с учетом характера зрительной работы и светоклиматических особенностей места расположения здания;

-требуемая равномерность естественного освещения;

-габаритные размеры и расположение оборудования, возможное затенение им рабочих или наблюдаемых поверхностей;

-желательное направление падения светового потока на рабочую или наблюдаемую поверхность;

-продолжительность использования естественного освещения в течение суток для разных месяцев года с учетом назначения помещения, режима работы и светового климата местности;

-необходимость защиты помещения от слепящего действия прямого солнечного света. Проектирование естественного освещения зданий целесообразно осуществлять в сле-

дующей последовательности:

1 этап определение требований к естественному освещению помещений; выбор систем освещения;

учет ориентации зданий и световых проемов по сторонам горизонта; определение нормированного значения КЕО по разряду преобладающих в помещении

зрительных работ;

46

выбор типа световых проемов и светопропускающих материалов; выбор средств для ограничения слепящего действия прямого солнечного света;

2 этап выполнение предварительного расчета естественного освещения помещений (определе-

ние необходимой площади световых проемов); уточнение параметров световых проемов и помещений;

3 этап выполнение проверочного расчета естественного освещения помещений;

определение помещений, зон и участков, имеющих недостаточное по нормам естественное освещение;

определение требований к эксплуатации световых проемов (необходимость устройства подходов к остеклению);

4 этап сравнение расчетного с нормативным значением КЕО и внесение корректировок в про-

ект естественного освещения и повторный проверочный расчет (при необходимости).

5 этап технико-экономическое сравнение вариантов систем естественного освещения по приве-

денным затратам Классификация основных систем естественного освещения и их характеристики пред-

ставлены в табл. 8.

Выбор той или иной системы естественного освещения зависит от характера функционального или технологического процесса и выполняемых зрительных операций, объемнопланировочного и конструктивного решения здания, эстетических качеств интерьера, района строительства, внешнего облика здания, его ориентации по сторонам горизонта и градостроительной ситуации с учетом экономических требований.

Системы верхнего или комбинированного естественного освещения

Эти виды систем естественного освещения следует применять преимущественно в производственных одноэтажных и верхних этажах многоэтажных зданий, в одноэтажных общественных зданиях большой площади (крытые рынки, стадионы, выставочные павильоны и т.д.), а также в зданиях с крупногабаритным технологическим оборудованием.

Длина прямоугольных и трапециевидных фонарей не должна превышать 84 м, расстояние между торцами фонарей и между торцом фонаря и наружной торцовой стеной должно быть кратным или равным шагу несущих конструкций покрытия.

Прямоугольные светоаэрационные фонари с одним или двумя ярусами остекления следует применять, как правило, в производственных зданиях со значительными (свыше 23 Вт/м3) избытками явного тепла. В зданиях с избытками явного тепла до 23 Вт/м3 прямоугольные светоаэрационные фонари допускается применять при соответствующем технико-экономическим обосновании.

Для обеспечения требуемого воздухообмена рекомендуется применять следующие светоаэрационные фонари:

а) в помещениях с пролетами 18 м и избытками явного тепла до 50 Вт/м3 - одноярусные прямоугольные шириной 6 м;

б) в помещениях с пролетами 24, 30 и 36 м и избытками явного тепла до 50 Вт/м3 - одноярусные прямоугольные шириной 12 м.

П р и м е ч а н и я : 1. Применение двухъярусных светоаэрационных фонарей для обеспечения требуемого воздухообмена в помещении допускается при соответствующем техникоэкономическом обосновании.

47

Табл. 8 (1)

48

Табл. 8(2)

49

Табл. 8 (3)